核心要点：
1. EBSD能够表征亚微米尺度的微观组织，但限于其空间分辨率很难表征纳米晶组织；PED具有纳米尺度的分辨率，但由于在样品厚度方向上多个晶粒的衍射斑发生重叠，难以准确表征纳米晶的三维组织。
2.结合样品倾转与暗场圆锥扫描的透射电镜三维取向重构技术具有1 nm的空间分辨率，解决了电子束方向上重叠晶粒的取向测定难题，成功应用于纳米金颗粒的三维组织表征。
纳米结构金属（简称纳米金属）拥有优异的机械、物理和化学性能，具有广泛的潜在应用前景。近二十年来，纳米金属得到了大量的研究，并已在微电子、纳米技术以及催化等领域得到应用。微电子器件中的结构以及催化结构的组装很大程度上取决于纳米金属中纳米晶体的形貌、大小和晶体学取向。对纳米金属各种行为机理的深入理解以及性能的进一步优化，需要对其进行高空间分辨率的“全要素、高通量”的表征。而电子显微镜具有较高的空间分辨率，能够满足该需求。在过去的几十年内，研究人员发展了多种基于电子显微技术的微区晶体学取向测定技术。在这些技术中，最为典型的代表分别为利用菊池花样以及衍射斑点的取向测定技术。前者在扫描电子显微镜和透射电子显微镜中都有广泛应用；而后者主要应用于透射电子显微镜。基于这些技术解析的晶体学取向信息，以像素点或者体素点形式，按网格规则地显示为图像信息，以此重构出材料的微观组织结构。这种基于晶体学取向信息的微观组织结构重构技术，一般称为取向成像技术。最为常见的取向成像技术包括但不限于扫描电子显微镜中的电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）技术、透射电子显微镜中的旋进电子衍射（Precession Electron Diffraction, PED）技术和透射电子显微镜中的三维取向成像技术（Three-dimensional Orientation Mapping in Transmission Electron Microscope, 3D-OMiTEM）。这些取向成像技术的角分辨率通常为1~2°，这样的角分辨率可以满足表征纳米金属的需求。但是，这些技术的空间分辨率差异较大，因此选择合适的技术来重构不同尺度的纳米金属也就显得十分重要。近日，重庆大学黄晓旭教授团队、清华大学A.W. Godfrey教授以及丹麦技术大学S. Schmidt博士等人合作，以题为“2D and 3D orientation mapping in nanostructured metals: a review” 在Nano Materials Science撰文，阐述了纳米金属晶体学取向成像技术所面临问题，综述了纳米金属基于电子光源的二维及三维晶体取向成像技术的研究进展。作者着重于不同取向成像技术的空间分辨率，回顾了二维和三维取向成像技术在表征纳米金属微观组织结构上的应用。实例分析包括：1）基于扫描电子显微镜的二维EBSD技术以及基于透射电子显微镜的二维PED技术表征了结构尺寸变化范围很大的梯度纳米结构金属铜和镍基高温合金；2）3D-OMiTEM技术表征了尺寸在40nm以下的岛状纳米金薄膜；3）讨论了以上各技术的优势、面临的挑战以及未来的发展方向。
图1. 高压表面滚压制备的纯铜样品厚度方向截面的低倍电子通道衬度像。白色虚线标志样品表面
图2. 高压表面滚压制备的纯铜样品的在不同深度的EBSD取向图。(a) 0-300 μm, (b) 300-600 μm, (c) 600-1200 μm, 和 (d) > 1200。白色虚线表示样品表面，黑色表示未标定点，主要为晶界
图3. 由图二的EBSD数据生成的在不同深度区域的{111}极图图4. 表面机械研磨制备的镍基高温合金板材最表层显微组织结构的PED取向图及其{111}极图。表征区域内的PED花样，表明在样品厚度方向上存在形变孪晶。图5. 电子束穿透方向上的晶粒重叠可能导致的几种形式的PED电子衍射花样，重叠花样给取向标定带来了困难。图中红色晶粒表示可以标定取向的晶粒，蓝色晶粒代表不能标定取向的晶粒图6. (a)岛屿状纳米金颗粒的透射电镜明场像以及(b)重构得到的三维取向图；(c)图为(b)中红色框中区域的放大图；(d)为三维取向成像图中的5个不同截面，其位置分别对应与图(b)中的白色虚线图7. (a)岛状纳米金颗粒等球半径（ESR）以及(b)岛内晶粒的等球半径的分布直方图；(c)单个颗粒内的晶粒个数与岛状纳米金颗粒的等效球体半径的关系图9. 岛状纳米金颗粒中晶界取向差角的分布图。插图分别为晶界取向差角为40°和60°的取向差转轴的分布图本文中，作者通过表面塑性变形材料中的微观组织梯度与织构梯度，展示了EBSD技术和PED技术在获取二维取向图中存在不足和面临的挑战。一方面，EBSD技术虽然已得到显著的发展，但表征材料与电子束的作用体积限制了其20-50纳米的分辨率，这种精度的分辨率是不足以表征微纳梯度金属最表层的纳米晶粒。
另一方面，PED技术的分辨率虽然能够达到几纳米，但该技术在这个分辨率下无法区分和识别由于在电子束方向上重叠晶粒所导致的多重重叠的衍射花样。基于透射电子显微镜的二维暗场圆锥扫描技术和基于扫描电子显微镜的透射式电子背散射衍射（t-EBSD）技术也存在类似的问题。进而，作者介绍了对3D-OMiTEM技术的改进及优化，并利用该技术，选取1 nm的空间分辨率，对1024 × 1024 × 200 nm3体积的纳米金颗粒薄膜的三维形貌特征及三维晶体学特征进行了重构，并分析了岛状纳米金颗粒及颗粒中晶粒的三维形貌及取向数据。重构得到的最小晶粒尺寸为3.4 nm，也验证了该技术较高的空间分辨率。在一些岛状颗粒中晶粒贯穿了整个薄膜的厚度，而另一些岛状颗粒中在厚度方向上存在多个晶粒，这也进一步展示了在纳米尺度上对材料进行三维重构的必要性。重构三维取向图还显示，晶粒在样品厚度方向上存在一定比例的拉长，产生这种拉长效应的部分原因是样品杆有限的倾转角度导致的损失楔效应。为了更加精确地描述纳米晶粒在三维空间中的几何学形貌，使用倾转角度更大的样品杆进行数据采集就显得十分重要，这将是今后要开展的工作。主要从事金属结构材料和先进表征技术的研究，领导或参与了多项开拓性研究课题，在基础科学研究和表征技术开发两个领域都取得了重要突破。在金属结构材料尤其是纳米金属研究方面，通过与国内外研究团队的合作和先进表征技术的利用，发现和解释了纳米金属所呈现的一些与常规金属不同的强韧化现象，多项代表性成果发表在了Science 和Nature上 （Science 312 (2006), 249-251）；Science 323 (2009), 607-610）；Nature, 463 (2010), 335-338）；Nature, 579 (2020), 67-72）。在表征技术方面，参与开发了世界首台三维X射线衍射（3D-XRD）显微镜，并首次通过3D-XRD显微镜原位观察了三维块体形变金属内部形成的再结晶晶粒的长大和界面迁移过程（Science, 305(2004), 229-232）；领导研发了透射电子显微镜三维取向成像技术（3D-OMiTEM），空间分辨率达1 nm（Science, 332 (2011), 833-834），该成果被美国材料研究学会选为 2011年材料科学领域十大亮点之一，并且获得2012 Microscopy Today创新奖。黄晓旭教授研究团队部分成员和团队基于常规透射电子显微电镜改造的兼具三维晶体取向重构与三维衍射像重构功能的三维透射电子显微镜Guilin Wu, et al. 2D and 3D orientation mapping in nanostructured metals: A review. Nano Materials Science, 2020.https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2020.03.006Nano Materials Science：2019年3月创刊，重庆大学主办，香港城市大学吕坚院士任主编，20个国家132名顶尖科学家任编委，其中院士17位，24位编委入选2020科睿唯安高被引学者。ScienceDirect全文开放获取，旨在搭建纳米材料科学学术交流平台，主要关注纳米结构材料和纳米功能材料的制备与加工、材料基因表征、材料性能评价及应用，以及纳米器件的设计、制备、加工、评价及应用等方面最新研究成果。刊发成果已被60个国家及地区和245种SCIE期刊引用报道，篇均引用7.78次。
