973項目申報書——CB623700-先進材料性能與結(jié)構(gòu)演化間關(guān)系的現(xiàn)代表征方法及科學(xué)問題的研究

1、項目名稱：先進材料性能與結(jié)構(gòu)演化間關(guān)系的現(xiàn)代表征方法及科學(xué)問題的研究首席科學(xué)家：張澤 北京工業(yè)大學(xué)起止年限：2009.1至2013.8依托部門：北京市科委一、研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容l 探索現(xiàn)代電子顯微學(xué)新方法和理論基礎(chǔ)的研究：重點研究材料中亞埃尺度原子成像的條件和方法，包括：球差校正成像、變焦出射波重構(gòu)成像、Z襯度像等綜合技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代先進材料研究的新方法；輕、重原子，正、負離子，合金化元素等原子尺度選擇成像的方法，精確地確定材料中對性能敏感的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元素間的關(guān)聯(lián)和耦合作用。l 結(jié)合現(xiàn)有透射、掃描電子顯微技術(shù)和掃描探針技術(shù)（原子力顯微鏡），自主發(fā)展針對低維單體（如單根準(zhǔn)一維線等）的力學(xué)、電學(xué)、光

2、學(xué)等物理性能與顯微結(jié)構(gòu)一體化測試、表征技術(shù)平臺。為低維材料的基本物理性能、顯微結(jié)構(gòu)與材料尺度之間關(guān)系研究提供新的表征手段和測量技術(shù)。通過外場作用下對低維單體材料物理性能和顯微結(jié)構(gòu)原位/實時的研究，揭示與之相關(guān)的新現(xiàn)象，發(fā)展新材料和新應(yīng)用。l 利用和發(fā)展超高分辨電子顯微分析方法，對國家重點發(fā)展的高性能輕質(zhì)（鋁、鎂、鈦）合金以及重要高溫合金的強化析出相（包括彌散強化相和長周期結(jié)構(gòu)強化相）的相結(jié)構(gòu)和成分、形貌、取向、分布等開展系統(tǒng)和深入的定量研究，特別著重在一定理化條件（如溫度、應(yīng)力、合金成分）下早中期析出相（或長周期結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)表征，以及稀土元素的存在和分布狀態(tài)、并探索各種析出相的形成、演化機制。

3、通過上述基礎(chǔ)問題的研究，促進國家材料發(fā)展中重大關(guān)鍵科學(xué)問題的解決。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題l 元素選擇的原子成像機理與方法。通過理論分析、數(shù)值模擬計算和圖像處理，建立電子與固體中各種輕重原子相互作用、以及電子波在電鏡關(guān)鍵光學(xué)系統(tǒng)中傳播過程的準(zhǔn)確清晰的物理模型和圖像，以獲得固體材料中元素選擇的原子成像新技術(shù)、新方法，包括：球差校正電鏡中非線性信息對原子成像和分辨率的影響，固體中輕、重原子成像方法，部分相干STEM中原子序數(shù)（Z）襯度成像的影響，固體中特定元素原子成像不同方法的選擇等基本問題。l 精確實施對準(zhǔn)一維單體材料原位操控和多場耦合作用，在原子尺度研究材料物理性能與顯微結(jié)構(gòu)演變間關(guān)系的動態(tài)過程。

4、包括：材料在力場、電場、磁場、光等作用下能帶結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)、發(fā)光性質(zhì)的變化規(guī)律；在尺寸/表面作用下，準(zhǔn)一維單體在外應(yīng)力場作用下的脆-韌轉(zhuǎn)變行為；低維固體非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的斷裂機理與彈塑性轉(zhuǎn)變；等等。這些在低維尺度尚未深入了解的材料科學(xué)問題，將直接影響微電子材料和器件的設(shè)計、制備、穩(wěn)定性等。研究的難度還包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體學(xué)取向完全相同、僅在某一維尺度上不同的低維材料的制備。l 增強析出相的結(jié)構(gòu)（特別是其早中期結(jié)構(gòu)）及其演變規(guī)律一直是發(fā)展現(xiàn)代高性能輕質(zhì)合金未解決或尚未完全解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題。傳統(tǒng)觀測手段的限制曾經(jīng)是問題未能解決的一個重要原因。現(xiàn)代電子顯微技術(shù)的發(fā)展為較徹底地解決此類科學(xué)問題提供了可能。本項目

5、應(yīng)用并發(fā)展現(xiàn)代電子顯微技術(shù)，開展關(guān)于介觀尺度上強化相沉淀初期的相結(jié)構(gòu)、成分、形貌、晶體學(xué)取向、分布、及其在不同成分及工藝處理條件下演化過程的定量研究和理論分析，有可能帶來析出相演化理論的突破性進展。以上三個科學(xué)問題之間關(guān)系：本項目第一個科學(xué)問題為當(dāng)今世界上電子顯微學(xué)用于現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的前沿領(lǐng)域，屬先進實驗方法和技術(shù)基礎(chǔ)。實現(xiàn)亞埃尺度的原子成像，對研究解決結(jié)構(gòu)演變敏感的現(xiàn)代功能材料、高性能合金材料的關(guān)鍵性科學(xué)技術(shù)難題，具有重要作用。本項目關(guān)注的第三個科學(xué)問題，實際上就是第一個科學(xué)問題在當(dāng)今國家重大需求的材料問題上的直接應(yīng)用。如上所述，高性能輕質(zhì)合金的關(guān)鍵技術(shù)難題，主要涉及強化相和微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，

6、而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)研究，期待著亞埃尺度的原子分辨成像。所以，本項目的一、四課題分別從發(fā)展新方法及其在材料研究重大需求應(yīng)用兩方面相得益彰。第二個科學(xué)問題，是當(dāng)今納米科技發(fā)展研究中分析測試技術(shù)的瓶頸性難題，其研究發(fā)展對提升我國納米科技發(fā)展水平，促進新技術(shù)生長點發(fā)展，具有重要基礎(chǔ)作用。由此發(fā)展出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新裝置，完全可引用到第一個科學(xué)問題研究中來，使原位外場作用下的結(jié)構(gòu)研究，提升到亞埃尺度。此外，還可以將研究此科學(xué)問題的成果，引伸到第三個科學(xué)問題中去，研究高性能輕質(zhì)合金中強化相在應(yīng)力等外場作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題。因此，第二科學(xué)問題的關(guān)于發(fā)展獨特的外場作用下的原位觀察，可將第一和第三個科學(xué)

7、問題，有機聯(lián)系起來。 二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)：1. 利用亞埃尺度原位（包括服役狀態(tài)）綜合測量技術(shù)，發(fā)展元素選擇成像技術(shù)的實驗和計算方法，研究建立低維材料的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等性能與微結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系；實現(xiàn)在幾個我國有重大展略需求的材料方面的應(yīng)用，建立能在亞埃分辨水平進行材料性能與結(jié)構(gòu)間關(guān)系研究的綜合平臺。2. 結(jié)合、改進和提高現(xiàn)有透射電子顯微學(xué)技術(shù)、掃描電子顯微技術(shù)和掃描探針顯微技術(shù)（原子力顯微鏡），研究建立針對低維單體（如單根準(zhǔn)一維材料等）的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等物理性能與顯微結(jié)構(gòu)一體化測試、表征技術(shù)平臺。為低維材料的基本物理性能與顯微結(jié)構(gòu)關(guān)系研究提供新的表征手段和測量技術(shù)。通過外場作用下對低維單體材料

8、物理性能和顯微結(jié)構(gòu)原位/實時的研究，發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的新現(xiàn)象，新規(guī)律，發(fā)展新材料和新應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上設(shè)計和研制具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型材料和介觀尺度器件基本組元，使我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究水平和技術(shù)開發(fā)能力處于國際最好水平之列。3. 利用和發(fā)展現(xiàn)代顯微分析測試方法，研究現(xiàn)代高性能輕質(zhì)合金中介觀尺度析出相，特別是早中期析出相的結(jié)構(gòu)和成分以及材料組織結(jié)構(gòu)（析出相尺寸、位向關(guān)系、形貌、取向、分布等）的表征（測量）及其在一定理化條件（如溫度、應(yīng)力、合金成分）下的演變及機理。根據(jù)上述基礎(chǔ)問題研究的需要，發(fā)展實現(xiàn)材料介觀尺度區(qū)域結(jié)構(gòu)和成分表征（測量）的新方法。尋求從微觀機理上揭示材料力學(xué)性能變化的規(guī)律，獲得科學(xué)

9、指導(dǎo)發(fā)展高性能材料的成分和工藝設(shè)計的新路徑，增強我國材料工業(yè)和制造業(yè)的國際競爭力和創(chuàng)新能力。為滿足“大飛機”和國防航空材料這類國民經(jīng)濟發(fā)展的重大技術(shù)需求服務(wù)。五年目標(biāo)：1. 發(fā)展電子顯微鏡中亞埃尺度元素選擇等成像技術(shù)和譜學(xué)等技術(shù)的綜合研究方法。實現(xiàn)一些重要材料中輕、重原子，正、負離子，合金化元素等選擇成像。提供原子尺度的材料的組成、各元素作用和元素間的關(guān)聯(lián)和耦合作用、工作機理等信息。解決有關(guān)材料中缺陷組態(tài)、界面精細結(jié)構(gòu)等重要基本科學(xué)問題。實現(xiàn)在幾個我國重大戰(zhàn)略需求材料方面的應(yīng)用，建立能在亞埃分辨水平進行材料性能與結(jié)構(gòu)間關(guān)系研究的綜合平臺。2. 自主設(shè)計開發(fā)適用于高分辨透射電子顯鏡的“嵌入式”可

10、操控“低維材料智能載網(wǎng)”。使其在外場（電子束輻照、電流、電場及溫度場）作用下可實現(xiàn)位移驅(qū)動，從而實現(xiàn)準(zhǔn)一維線的形變操作。揭示不同鍵合類型的一維材料在多場耦合作用下的顯微結(jié)構(gòu)、物理性能與材料尺度之間關(guān)系。3. 自主設(shè)計開發(fā)能在掃描電子顯微鏡樣品室內(nèi)進行單體準(zhǔn)一維材料操縱和力學(xué)/電學(xué)性能耦合測量單元；完成單體準(zhǔn)一維材料形變過程中力學(xué)信號、電學(xué)信號、位移信號等微弱信號的探測、采集與處理及顯微結(jié)構(gòu)的原位觀察。4. 自主研發(fā)氣氛可控制的微注入系統(tǒng)，用于納米材料生長機理的原位研究； 自主研發(fā)基于電子顯微鏡體系，能夠進行原位、實時、動態(tài)和在線的發(fā)光性質(zhì)研究的近場陰極熒光（Near-Field Cathodo

11、luminescence, NFCL）分析方法和技術(shù)。5. 完善和優(yōu)化顯微原位生長體系的可控性，使得低維材料的原位生長研究更具可操作性、可重復(fù)性。6. 利用和發(fā)展超高空間分辨顯微分析方法，獲得高性能7XXX等系鋁合金及稀土高性能鎂合金中析出相結(jié)構(gòu)模型，以及這些相早期的位向關(guān)系、形貌、取向、分布等定量表征和演變規(guī)律，建立合理模型分析和解釋測量結(jié)果及相關(guān)力學(xué)性能變化。三、研究方案圍繞項目的研究目的，發(fā)展和選擇對現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展有重要科學(xué)意義的先進表征方法及其在重大應(yīng)用背景方面的問題，在項目實施過程中，分層次地在對現(xiàn)代表征和測量研究方面分三方面部署：首先開展國際分析測試技術(shù)發(fā)展的前沿性基礎(chǔ)研究，提高

12、原子層次及原位、外場作用下的綜合分析能力研究；創(chuàng)新性研制具有明顯特色和先進性的裝置，發(fā)展解決關(guān)鍵科學(xué)問題的新分析測試方法，以適應(yīng)現(xiàn)代材料科學(xué)表征測量技術(shù)的多樣性和變化較迅速的特點。其次發(fā)揮顯微分析綜合能力強的優(yōu)點和本項目新技術(shù)新方法發(fā)展的成果，部署了對現(xiàn)代先進材料重要關(guān)鍵性能和組織結(jié)構(gòu)內(nèi)在關(guān)聯(lián)的研究，以期發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象并深入研究其規(guī)律性。第三，在發(fā)展先進分析測試技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上，我們還部署了針對國際上有重要應(yīng)用背景的高性能輕質(zhì)合金材料技術(shù)難關(guān)和關(guān)鍵科學(xué)問題的探索研究，以期對影響國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵重大技術(shù)問題，提供有力科學(xué)支持。在這當(dāng)中，新方法、新裝置、新技術(shù)的發(fā)展即新的分析測試技術(shù)的研究具有關(guān)

13、鍵性，可以為所有課題組采用；性能的深入了解在材料的研制中有典型示范性質(zhì)，它將反饋對表征技術(shù)的要求，同時也為上述三部分的工作提供理論基礎(chǔ)。這樣的思路也是我們上一個973項目研究的提升和深入，力圖把科學(xué)問題的研究推到國際最前沿，并對國家重大需求提供有力的支持。無論是亞埃尺度元素選擇成像方法的研究，還是原位/外場耦合測試平臺的搭建，都要實現(xiàn)在具體材料上的應(yīng)用，都要以解決具體的科學(xué)問題為目的，因此目標(biāo)明確，可操作性較強。在課題的部署上，每個課題組之間各有側(cè)重，又密切交叉，可以形成一個緊密協(xié)作的有機整體。本項目分為五個課題，各個課題主要研究內(nèi)容闡述如下：2009CB623701固體中亞埃尺度元素選擇成像

14、電子顯微學(xué)方法及其在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用² 承擔(dān)單位：清華大學(xué)，湖南大學(xué)研究目標(biāo)和內(nèi)容：充分理解亞埃尺度元素選擇成像的襯度機理，發(fā)展有自己特色的原子分辨的元素選擇成像和譜學(xué)綜合結(jié)構(gòu)研究方法。實現(xiàn)一些重要材料中輕、重原子，正、負離子，鐵磁性原子、合金化元素選擇成像。提供原子尺度的材料的組成、各元素作用和元素間的關(guān)聯(lián)和耦合作用、工作機理等信息。解決材料中的若干個科學(xué)問題。實現(xiàn)原子尺度成像方法研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)的相及其中位錯缺陷芯部的原子構(gòu)成。負責(zé)人：朱靜（中科院院士）經(jīng)費比例: 23 %2009CB623702 外場作用下單體低維材料物性與結(jié)構(gòu)演變關(guān)系的表征測量² 承擔(dān)單位：北京工業(yè)

15、大學(xué)，清華大學(xué)研究目標(biāo)和內(nèi)容：結(jié)合、改進和提高現(xiàn)有透射電子顯微學(xué)技術(shù)、掃描電子顯微技術(shù)和掃描探針顯微技術(shù)（原子力顯微鏡），發(fā)展針對低維單體（如單根準(zhǔn)一維線等）的力學(xué)、電學(xué)等物理性能與顯微結(jié)構(gòu)一體化測試、表征技術(shù)平臺。為低維材料的基本物理性能與顯微結(jié)構(gòu)關(guān)系研究提供新的表征手段和測量技術(shù)。通過外場作用下對低維單體材料物理性能和顯微結(jié)構(gòu)原位/實時的研究，揭示與之相關(guān)的新現(xiàn)象，發(fā)展新材料和新應(yīng)用。負責(zé)人：張澤（中科院院士）經(jīng)費比例: 20 %2009CB623703 基于電子顯微術(shù)與探針顯微術(shù)的原位生長-動態(tài)表征-性能測量的方法及其在材料研究中的應(yīng)用² 承擔(dān)單位：北京大學(xué);中科院理化技術(shù)研究

16、所研究目標(biāo)和內(nèi)容：研究原位生長的機理、缺陷形成機理、摻雜機理等基本問題，從本質(zhì)上了解低維材料的一維擇優(yōu)生長的奧秘，為真正實現(xiàn)材料的人工可控生長與組裝提供理論依據(jù)。同時進行原位外場作用下的結(jié)構(gòu)與物理性能間關(guān)系測量；自主研發(fā)氣氛可控制的微注入系統(tǒng)，用于納米材料生長機理的原位研究；自主研發(fā)基于電子顯微鏡系統(tǒng)，能夠進行原位、實時、動態(tài)和在線的發(fā)光性質(zhì)研究的近場陰極熒光（Near-Field Cathodoluminescence, NFCL）分析方法和技術(shù)。負責(zé)人：俞大鵬（長江教授，杰出青年基金）經(jīng)費比例: 23 %2009CB623704 高性能輕質(zhì)合金中多相復(fù)雜體系原子尺度表征與材料強韌化調(diào)控&#

17、178; 承擔(dān)單位：湖南大學(xué)；北京工業(yè)大學(xué)研究目標(biāo)和內(nèi)容：結(jié)合原子分辨的高分辨電子顯微鏡技術(shù)(HREM)和透射掃描電子顯微鏡高角度環(huán)形暗場技術(shù)（HAADF-STEM）等技術(shù)形成綜合性新方法，研究鋁/鎂高性能合金中介觀尺度析出相，特別是通過不同理化條件（如溫度、應(yīng)力、合金成分）下早中期析出相結(jié)構(gòu)和材料微結(jié)構(gòu)的表征（測量），揭示和理解析出相的結(jié)構(gòu)和材料微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。尋求從微觀機理上揭示材料力學(xué)性能變化的規(guī)律；研究Mg-(Y,Ga)-Zn 三元和四元合金系中LPS的形成機制,結(jié)構(gòu)/成分特征以及在不同熱處理條件下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律，建立相關(guān)的原子結(jié)構(gòu)模型，并探索其它過渡族和稀土元素添加對析出相和LPS

18、的綜合影響，為指導(dǎo)設(shè)計彌散析出和LPS復(fù)合強化的新型高強Mg合金提供知識基礎(chǔ)。負責(zé)人：張輝 教授經(jīng)費比例: 18 %2009CB623705 材料中缺陷組態(tài)、界面結(jié)構(gòu)以及電子顯微學(xué)方法研究² 承擔(dān)單位：中國科學(xué)院金屬研究所；北京大學(xué)研究目標(biāo)和內(nèi)容：發(fā)展原子序數(shù)襯度像圖像處理的新方法，克服電鏡分辨率的限制，解決有關(guān)材料中缺陷組態(tài)、界面精細結(jié)構(gòu)等重要基本科學(xué)問題。精確地確定復(fù)雜結(jié)構(gòu)相中缺陷組態(tài)的原子位置和占位，揭示復(fù)雜結(jié)構(gòu)相中位錯核芯的原子結(jié)構(gòu)。揭示納米薄膜材料與襯底之間原子尺度的界面結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)，并從中發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象。負責(zé)人：馬秀良（杰出青年基金）經(jīng)費比例: 16 %課題之間的關(guān)系以及

19、課題與項目之間的關(guān)系原位外場下顯微結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系課題一、課題五課題一側(cè)重亞埃尺度元素成像方法，課題五側(cè)重缺陷和界面的結(jié)構(gòu)電子顯微方法課題二側(cè)重原位測試平臺的搭建和材料性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系的動態(tài)表征，課題三側(cè)重原位生長和電子束微加工技術(shù)課題二、課題三課題四高性能輕質(zhì)合金 四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年電子顯微學(xué)方法研究1) 亞埃尺度元素選擇成像方法研究；2）變焦出射波重構(gòu)成像技術(shù)研究；3）Z襯度像方法研究；X-射線能譜學(xué)研究；4）亞埃尺度電子能量損失譜學(xué)研究；5）研究鋼鐵和合金材料中析出相的精細結(jié)構(gòu)及對性能影響；6）研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)相(如Mg合金或Al合金中的沉淀強化相等)的晶體學(xué)特征。通過基于第一原

20、理的有關(guān)計算定量考察原子間距在缺陷處的微小變化、位錯核心處原子的占位情況及可能的空位。研究位錯核芯區(qū)可能的電子效應(yīng)背景；7）通過對復(fù)雜結(jié)構(gòu)相的原子序數(shù)襯度像的模擬，研究不同實驗條件對最大熵圖像處理的影響；8）在原子尺度下研究不銹鋼中MnS夾雜物和基體界面的結(jié)構(gòu)。原位外場下電子顯微結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系：1）設(shè)計并制作適用于高分辨透射電子顯微鏡的“嵌入式”可操控“低維材料智能載網(wǎng)”；2）納米線力學(xué)性能和電學(xué)性能的原位測量；3）催化劑小粒子原位研究的硬件設(shè)計； 4）完善納米材料生長機理的原位研究系統(tǒng)，對氣相反應(yīng)物濃度、分布等微觀參數(shù)可控制備II-IV 族半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)表面功能化；可控

21、合成一維有機光電功能納米結(jié)構(gòu)，研究其光電性質(zhì)；5）制備形貌可控的納米硅線陣列，研究納米硅線陣列的光電性能及修飾。輕質(zhì)合金研究：1） 優(yōu)化合金成分，結(jié)合熱處理工藝研究各合金元素及其含量對材料宏觀性能的影響。主要利用常規(guī)高分辨電鏡技術(shù)探明目標(biāo)鋁/鎂/鈦合金中析出相的一般析出規(guī)律、晶體學(xué)特征、成分范圍和大小分布；2）研究6XXX系鋁合金中早期析出相的穩(wěn)定性問題。1) 提供復(fù)雜合金相中有關(guān)缺陷組態(tài)的原子尺度的結(jié)構(gòu)信息；2) 揭示原子序數(shù)襯度成像實驗條件對圖像處理的影響，確定適當(dāng)?shù)膶嶒灣上駰l件；3) 揭示造成界面活性較高的內(nèi)在原因，在原子尺度下對MnS引發(fā)不銹鋼點蝕的機制做更深層次的剖析；4) “低維材

22、料智能載網(wǎng)”在外場作用下實現(xiàn)位移驅(qū)動；5) 揭示準(zhǔn)一維材料在多場耦合作用下的顯微結(jié)構(gòu)-物理性能相關(guān)效應(yīng)；6) 實現(xiàn)低維材料原位生長的可控性和可操作性；7) 在現(xiàn)有環(huán)境掃描電鏡中引進微注入系統(tǒng)，對氣相反應(yīng)物濃度、分布等控制納米材料形核與生長的工藝參數(shù)有一個全面、微觀層次的理解；實現(xiàn)低維材料原位生長的可控性和可操作性；8) 揭示硅表面修飾的有效方法和途徑；實現(xiàn)一維有機納米結(jié)構(gòu)的可控制備，揭示一維有機納米結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)；9) 實現(xiàn)II-VI半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的可控制備，并實現(xiàn)其表面功能化；10) 確定目標(biāo)合金成分，闡述各合金元素對材料性能的影響，就合金成分的確定，析出規(guī)律、晶體學(xué)特征、成分變化和尺寸，及

23、其與宏觀性能的關(guān)系；11) 發(fā)表SCI文章30篇，申請專利2項。第二年電子顯微學(xué)方法研究1) 解決綜合應(yīng)用第一年中的各種技術(shù)應(yīng)用于材料研究中存在的問題；2）結(jié)合原子分辨的結(jié)構(gòu)信息，研究與之相結(jié)合的第一原理計算方法；3）研究鐵電和多鐵材料中輕重元素選擇成像，研究鐵電疇、疇壁精細結(jié)構(gòu)；4）催化劑小粒子表面精細結(jié)構(gòu)研究；5）開展三維重構(gòu)像的研究；6）利用球差校正透射電鏡，研究一維納米材料的精細結(jié)構(gòu)；7）研究高溫合金中析出相的缺陷結(jié)構(gòu)；8）通過相干高分辨成像研究多層氧化物界面的失配及缺陷組態(tài)，研究界面與薄膜厚度、晶格失配關(guān)系。通過非相干高分辨原子序數(shù)襯度成像獲得原子尺度界面結(jié)構(gòu)信息；9）研究Al-Cu

24、-Mg系合金中時效早期析出相，獲得早期析出相的高分辨率Z襯度像，分析Cu和Mg元素的占位；亞埃尺度下的早期析出相的納米電子束EELS研究；10）利用第一原理方法研究不銹鋼中MnS局域缺陷以及MnS和基體界面的電子結(jié)構(gòu)與特性。原位外場下電子顯微結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系：1） 納米線力學(xué)性能和電學(xué)性能的原位測量；2）基于原子力顯微鏡的控制和工作原理，設(shè)計一套可以放置在掃描電子顯微鏡樣品室內(nèi)的單體低維材料操縱和性能測量單元；并原位研究準(zhǔn)一維單體在外場下顯微結(jié)構(gòu)演化；3）研究納米層次結(jié)構(gòu)的生長機理；4）利用球差校正透射電鏡研究原位生長的納米層次結(jié)構(gòu)的界面特性，分析生長條件與界面結(jié)構(gòu)；5）利用所得到的一維納米結(jié)

25、構(gòu)為襯底，通過微注入等手段實現(xiàn)納米層次結(jié)構(gòu)的原位生長；6）利用SEM/CL,研究納米層次結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)、輸運性質(zhì)。輕質(zhì)合金研究：選擇性能優(yōu)異的合金成分，結(jié)合合金的單級熱處理工藝，研究析出相析出規(guī)律，如時效中早期各種等析出相析出的大致溫度范圍以及合金元素比例對析出相的影響。利用超高空間和高能量分辨的電子顯微技術(shù)測定不同階段單級熱處理后析出相的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)、成分、形貌、與基體的取向關(guān)系以及分布情況，并結(jié)合能量計算探索析出相的演化機制。1) 初步建成亞埃尺度元素選擇成像的軟、硬件平臺；2) 揭示高溫合金等材料的力學(xué)行為與顯微結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系；3) 揭示氧化物多層膜界面材料的界面晶體學(xué)特征、化學(xué)鍵合形式及

26、電子結(jié)構(gòu)；揭示薄膜的成分、厚度、晶格間匹配關(guān)系等對性能的影響規(guī)律；4) 構(gòu)建早期析出相的原子模型，獲得早期亞埃尺度析出相的電子結(jié)構(gòu)信息和彈性參數(shù)；5) 揭示不銹鋼點蝕形核的內(nèi)在本質(zhì)；6) 在掃描電鏡中實現(xiàn)位移驅(qū)動的精確控制和單體低維材料的操縱，并根據(jù)不同的測量功能可以方便地對單體低維材料施加外場（電場，力場）；7) 實現(xiàn)納米層次結(jié)構(gòu)原位生長；8) 揭示納米層次結(jié)構(gòu)的生長機理；9) 揭示一維納米材料的精細結(jié)構(gòu)；10) 揭示納米層次結(jié)構(gòu)的界面特性以及與制備工藝的關(guān)系；11) 揭示納米層次結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)及輸運特性；12) 掌握各種析出相在單級熱處理下的析出條件，如溫度、合金元素比例等對析出相的影響；

27、13) 對各階段的析出相有清晰的定義，包括其晶體學(xué)結(jié)構(gòu)、成分以及與基體的位向關(guān)系等，測定析出相結(jié)構(gòu)；14) 結(jié)合第一原理計算，初步理解析出相在成分、結(jié)構(gòu)等方面的演化規(guī)律；15) 發(fā)展有自己特色的波函數(shù)重構(gòu)軟件和像計算軟件16) 自主發(fā)開出適用于掃描電鏡，能夠進行原位、實時、動態(tài)和在線的物性研究的近場陰極熒光(Near-Field Cathode Luminescence, NFCL）分析方法和技術(shù)。17) 發(fā)表文章40篇以上，申請專利4項以上。第三年電子顯微學(xué)方法研究：1） 研究催化劑小粒子，探討賤金屬催化劑部分代替貴金屬催化劑的可能性；2）研究高性能高溫合金精細結(jié)構(gòu)，探討微合金化和合金化元素

28、對其性能影響；3）開展多層膜界面結(jié)構(gòu)研究；4）鋁合金材料析出沉淀相研究；5）鋼鐵材料精細結(jié)構(gòu)研究；6）小粒子三維重構(gòu)像的研究：7）Al-Cu-Mg合金中小尺度過渡相的結(jié)構(gòu)與成分；8）采用分子動力學(xué)方法研究復(fù)雜合金相中位錯核芯的原子結(jié)構(gòu)；9）第一原理研究確定薄膜異質(zhì)界面原子的成鍵特征、鍵長及其電子結(jié)構(gòu)。原位外場下電子顯微結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系：1） 基于掃描電子顯微鏡和懸臂梁變形的納米力學(xué)性能測試系統(tǒng)及準(zhǔn)一維納米單體材料的多場耦合支持器，進而完成設(shè)計并制作掃描電子顯微鏡中準(zhǔn)一維納米材料的多場耦合測試平臺；2）對現(xiàn)有的陰極熒光系統(tǒng)進行改造，在陰極熒光系統(tǒng)中引入近場收集系統(tǒng)、微操縱系統(tǒng)等。輕質(zhì)合金研究：根

29、據(jù)晶體學(xué)數(shù)據(jù)對鋁合金中各種析出相進行比較清楚的分類和定義，并針對鎂合金研究稀土元素的存在和分布狀態(tài)、介觀尺度析出相/LPS的時效形成過程、相關(guān)結(jié)構(gòu)/成分變化等，解答未知或尚存爭議的重要問題。將自己發(fā)展的波函數(shù)重構(gòu)方法和像計算方法應(yīng)用于目標(biāo)合金中早期“原子集團”的結(jié)構(gòu)。1） 為模型催化劑和工業(yè)實用催化劑的研制提供基礎(chǔ)信息；2） 了解宏、微合金化元素在鋼鐵、合金材料中的分布和作用;鐵磁性元素在一些相關(guān)磁性材料中的分布與作用;3） 建立早期析出相和對應(yīng)的過渡相的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，揭示強化相析出的微觀機制；4） 揭示復(fù)雜合金相中位錯核芯的微觀物理機制；5） 解析多層膜異質(zhì)界面處原子間成鍵特性及電子結(jié)構(gòu)6） 實

30、現(xiàn)對一維單體低維材料施加外場（電場，力場）等并進行原位顯微結(jié)構(gòu)表征的測試單元。7） 陰極熒光系統(tǒng)能夠適合于電場、應(yīng)力、光激發(fā)作用下，介觀尺度下線、顆粒發(fā)光譜的接收，研究應(yīng)力作用下材料發(fā)光性質(zhì)的變化規(guī)律；8） 對析出相的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)、能量穩(wěn)定性有一個較清楚的理解。9） 發(fā)表SCI文章40篇以上，申請專利5項以上。第四年電子顯微學(xué)方法研究：1）催化劑小粒子，探討濺金屬催化劑部分代替貴金屬催化劑的可能性；2）高性能高溫合金精細結(jié)構(gòu)，探討微合金化和合金化元素對其性能影響；3）多層膜界面結(jié)構(gòu)研究；4）鋁合金材料析出沉淀相研究；5）鋼鐵材料精細結(jié)構(gòu)研究；6）系統(tǒng)闡述界面結(jié)構(gòu)在理解磁電耦合效應(yīng)及其產(chǎn)生機理方面

31、的作用；7）研究Al-Zn-Mg-Cu系合金中早期析出相，獲得早期析出相的高分辨率Z襯度像，分析各合金元素的占位；早期亞埃尺度析出相的納米電子束EELS研究；8）高分辨率Z襯度像研究Al-Zn-Mg-Cu系合金中的過渡相（如），并進行納米電子束EELS研究。結(jié)合第一原理的理論分析和優(yōu)化，確定GP區(qū)的最大可能的原子結(jié)構(gòu)。然后，計算其電子結(jié)構(gòu)和彈性參數(shù)，并與EELS分析結(jié)果相對比。原位外場下電子顯微結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系：1） 用前三年完成的多場作用下單體低維材料物理性能與結(jié)構(gòu)演變相關(guān)性原位/實時綜合測試系統(tǒng)對單體低維材料進行結(jié)構(gòu)-物理性能相關(guān)性研究，以及多場耦合作用下單體低維材料物理性能的研究；2）利用透射電鏡高能電子束加工技術(shù)，開展介觀尺度下孔的精確加工研究。輕質(zhì)合金研究：研究目標(biāo)鋁合金中早期析出相和析出強化相之間的演變關(guān)系。在前三年的工作基礎(chǔ)上，開始研究復(fù)雜熱處理條件下合金中析出相的析出規(guī)律，并結(jié)合宏觀性能測量，優(yōu)化熱處理工藝。1） 確定多層膜不同種類原子在界面的空間配置，建立薄膜厚度與界面結(jié)構(gòu)的關(guān)系；2） 構(gòu)建GP區(qū)的原子模型；3） 建立GP區(qū)和對應(yīng)的過渡相的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，揭示強化相析出的微觀機制；4） 獲得原位外場下一些典型低維單體結(jié)構(gòu)物理性能和原子尺度點陣分辨率下顯微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；5） 實現(xiàn)低維材料應(yīng)變-顯微結(jié)構(gòu)-電學(xué)性能的三維綜合信息的實時、集合式研究；6