思睿讲坛第198期:韩晓东
作者:   来源:    点击数:次   发布时间:2019/04/02
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北京工业大学韩晓东教授国家杰出基金获得者,教育部长江学者特聘教授,北京工业大学学科学发展院常务副院长,北京工业大学物理研究所所长

我们主要是做原子层次分辨的透射电子显微镜,在我们那个年代国家只有几台仪器,当时只有中科院物理所一台,一个院士一台,所以那个时候电镜只能能有顶级科学家,支持不了工业界和材料学说界发表但现在我们国家已经突破瓶颈,现在顾校长说我们团队经常捕捞一些东西,那个时代还不允许,又聪明才智也不让你动,所以今天呢,给大家讲一讲,就是给大家介绍一下,我们这几年做的,在外场力,热,气体作用下原子的变化,从这里面我们是不是得到一些原理上基础科学的帮助这个出发点,这个报告是跟大家交流,探索讨论问题,可以说是很自由的,所以我演讲过程大家可以自由讨论。

介绍一下我们固体非物理性研究所,我们固体非物理性研究所主要有二十多个研究人员,有七个实验师,以 显微学为主,现在逐渐拓展材料气键等等,我们也希望跟材料物理化学家们加强合作。

这是设备,设备主要体现在显微学,这是一些材料 磁通建设,薄膜的设备以及物理性能测试等等。主要强项是显微学上。显微学我们刚刚也提到了我们有三台电镜,我们团队自己有几台,比较有特色的是FEL-Themls,这一台在我们国家也不多见,ETEM环境的,能通氧气和氢气。这一次我主要是来和顾校长交流怎么气体传感是不是能在这上面工作。

这是我们为什么对这件事这么着迷,这是有一个系统,晶体结构的重要性,其中最重要的核心之一是固体物质的原子性,那么物理学家通常说:“你只要给了我一个原子结构和原子坐标,其他的事全部搞定。”我们把这个原子塞进去之后,其他的东西,固体与固体之间电子化学啊,物理相变所有的等等物理性能,只要给我这个,全部搞定。这就是晶体结构的重要性

但是你要怎么知道晶体结构,通常我们用衍射的方法来做,配合这个物理化学,来知道这个晶体的形成,来进行这个材料结构的研究。这就是我们这个团队所做的事情之一。这里和同学们一起回忆一下这个电子显微学的发展史,我们有一些发现从根上去溯源,最后可以保证呢,研究非常正常地从基础科学衍生出对人类文明有重大作用的发现,1898年发现电子,24年波粒二象性,之后呢,分别进行了电子衍射性实验,顺着上面这些理论物理,32年世界上第一台电子显微镜诞生,对世界观察物理现象影响非常大,每提高一个阶就开辟一个新的世界。当时放大倍数就有17.4倍,现在上百万倍。之后电子显微镜发展史顺理成章,扫描,透射,能量损失谱,光学理论,成相。

目前在电子显微镜领域有几件事情重要。顺一顺,据说这是在1986年电子显微镜大会上提出的几个发展趋势和发展方向。其中一件事是空间分辨率,导致了衍射产生了电子显微镜。现在目前最难的是,一个是3D,透射电镜是2D  2D不过瘾很多事解释不清楚,不同的3D结构可以得到相同的结果。另外呢,对于信息大的动态范围非常重要,在这个基础之上,86年提出了原位。原位很多人以为是先发生的事,原位是记录。实际上是重启时间,尤其对于纳米级别,它会有新的物理意义。那么过去为什么这么说,过去我们只说结构,比如氧化物,物理性质定了。现在我们做纳米知道了,实际上这个事远没有结束,纳米周围结构不一样,性质差异就会非常非常大。所以现在有透射电镜和电子显微镜远远不够,那么,原位这件事就非常重要新的结构,新的性质。这就是这么多年我们为什么一直在做原位的事情。

这里面我们也发现了非常多有意义的现象,尤其是很多纳米程度的材料在力,热,气体作用下会有非常非常多不一样的物理化学性质,

现在我们有一个平台,这个平台现在大部分在做一个独特的,这是刚才提到的环境球差电子显微镜,这边是一个球差电镜,它能够实现化学元素的原子数分辨。另外呢,我们等会会介绍在这两个平台之上呢,我们又加入了我们自己研发的一个应力应变的实验平台,。这样在两个平台上,又加上原子尺度的这样的一个英译的,就变成了世界上唯一一个的非常有特色的装置系统。这样一个实验平台,怎么说呢,不用你多聪明,也不用你多努力,因为我们这个平台只有我们运营,所以我们做出来的任何东西都是新东西。所以打造新的创新的有特色的平台的重要性不言而喻。

这是原子力学实验,稍微做一下背景介绍,X射线,透射电镜,都做了一些工作。那么对于材料的力学性能来讲,从米到微米到纳米,那么作为力学性能我们大家都非常熟悉,那么用力学试验仪器,很微小尺度的,实际上,用naduo? J技术很困难,大家很多方法大家正在建立,原子尺度这件事就变得非常非常困难,几乎在国际领域也是非常困难的的。那么我们最近几年在这个领域做事。为什么原子尺度实验这么难?科学发展了这么多年之后,这个问题还没有解决,这个问题就是这样,透射电镜虽然虽然经过科学的发展已经看得到高分辨但要看到显微结构是需要条件的。将这样一个样品进行双融亲和,把两个东西的正位调整方向,才能得到金额向。如果偏离方向,我们看到的可能是非常模糊甚至可能是无序的投影。主要有个问题是呢,原子之间的距离非常小,只有呢,几十个微米厚。分子呢,只有三个毫米如果想在这样一个狭小空间内安装一个拉伸器,基本上是不可能的。这是这么多年发展的一个方法,在这样一个方法学基本上解决了刚才提到的问题,我们过去是做相变的,做形状记忆合金的形状记忆合金可以在温度的驱使下快速发生变化。就像压力陶瓷一样,通电就会发生变化,那么他就可以做一个位移的传感器或者一个力的驱动器。所以我们就在这个开始的时候加热展台上放这个记忆合金或者双金属就可以在这个外界温度作用下发生形状变化,对外输出力和功,达到变形材料。这是一个单晶材料,这是多晶材料。我们可以非常自如的对单晶材料或者多晶材料做力学性质实验非常方便。顾校长传感器是从高温做到室温,我们是把力学实验室温做到高温。其实我们可以做一个全弯曲的力学行为实验,都可以展开原子尺度,这一直是一个我们国际领域的难题,这是我们发展的一个力学装置,所做的这个真空测试。目前呢,一个小公司对着干技术比较感兴趣。另外呢,世界上最大的电镜公司对我们也非常感兴趣。在我们这个硬件基础上呢,开发下一代软件。这样一个阶段,都具有价值。总的来说,这样一个阶段,不同的材料。线,纳米尺度的螺线管然后磁控溅射制备的薄膜,块体材料样品,单晶样品,多晶样品,非晶样品及晶体样品,金属,陶瓷,半导体材料等等。基本上是个通用的方法,这个对于研究生的交流,顾老师这里也一样,也是十几年的方向发展,我们这也一样,实际上刚才给大家看的原子物理尺度物理性能研究装置也是通过十几年发展,从最开始的碳膜到扫描电镜双金属驱动器纳米线,再到透射电镜双金属驱动器,再是多晶薄膜,接着是块体样品,合金样品到高温,再到定量化等等。也就是通过研究生一代传一代学习的发展过程起来的。

好,上面呢,我们有了具体的实验工具,下面呢,我们想和大家聊一聊具体的几个实际问题,其中一个问题就是在面镜立方金属体上孪晶形核的问题,这个就是王立华的工作。我们讲到孪晶电路,首先看一下晶界,无论是物理材料还是化学大家都非常熟悉的一个固体物质。,结构的最基本单元。晶界呢,有很多作用。作为结构材料来讲,它可以作为错位来源强化剂,也是任性的源泉之一。晶界是非常非常重要的,对于推论来讲,类似于,那我们有各种各样的方法,遵循Hall_Petch效应,让晶界尺寸越来越小。但是呢,总有取不尽的时候,晶界-尺寸使他不能够再小。这时候,或者早些时候,我们能利用的另一个阻断剂就是,双晶形成。双晶形成呢,当这个hall效应走到极限的时候,另一个重要的因素,可以调节材料的强度和韧性。所以这个结构材料非常重要,他可以像晶界一样,既可以作为错位来源,也可以作为他的阻断剂。这是一个典型的推理的照片,这是双晶形成边界。这里有很多staffstaff可以作为打开的这个来源,双晶形成就作为一个阻断剂,就像墙一样堵住他,提高材料的强度。另外,在这个共同材料里,双晶形成就可以和孪晶一样,作为便于散射的源之一,共同参加一个非常重要的材料功能的交接

这是教科书中所描写的孪晶模型,通常是一个分享的模型,这样一个分享的模型看似是对的,这是教科书里面的,另外呢,在高分面分子电镜里面呢,被证明类似于像这个模型,实际上呢,这个孪晶呢,有各种的机制。孪晶刚刚看到的一个对称的,两边结构一模一样。这样一个孪生,有各种各样的物理学家提出各种模型,爆裂式的孪晶,马球机制,重叠的sfs等等提出很多机理。但万变不离其宗的是这个孪生要形盒的时候,我们非常关注它到底是如何形盒的。我们长大是一步步长大,那么形盒是怎么来的,经典的形盒理论,是孪生一层又一层,虽然多种表现形式,但核心问题的本质还是一层又一层在压力下。但是呢,后来呢,发现一个问题,铝这种材料,在文献里面,或者在物理学家的知识里面,铝的堆跺结构呢和孪晶的层错能力非常高,所以铝呢,基本上是认为不可能形成变形孪生的,但是在2003年,一篇文章提出在铝里面看到了变形孪生。还有一篇文章,也看到了,这是非常非常不正常的一个不常见,为什么在铝里面这么高的孪晶层错层里面还能看到变形孪生,在那个时候,这一直是一个悬而未决的问题。那个时候的解释是什么呢?那个时候的解释就是,由于尺寸效应,一个悬位错向偏位错转变。虽然都符合hall效应,但是偏错位尺寸越小,驱动形盒的力量越大。那么我们有两套,一套是悬位错,一套是偏位错。但是他们的阶段不一样。斜率也不一样。当尺寸小到一定程度的时候,会有一个交叉点,小到一定程度发生偏位错更容易。那么小尺寸成纳米程度的时候呢,就形成了偏位错。大尺寸的时候就形成全位错。但那个时候大家的看法都是把堆跺层错和孪晶呢,放到一起。只要有这个堆跺层错就会有这个孪晶。但那个时候这个说法是有问题的。在这个机体里面,我们很明显看到很多堆跺层错并没有转换过去。在很多教科书中,孪晶到孪生,是有能量错误的 从孪生到孪晶是很难的。之后我们去问作者,他也解释不清楚,所以这个呢,为什么在铝里面有变形孪生?一直是一个悬而未决的问题。

那么在理论上呢,有各个理论学家去算不同的金属,比如铜啊,铝啊,铂啊等等。我们可以看到铝和铂有着相同的行为,铜呢 有不同的行为。那么对于铝和铂来讲,理论技术上,它不但要克服不稳定的堆跺层错能量,还要克服不稳定的孪生错误能量。这么呢,对于铝和铂来说,理论上是不能形成变形孪生的,但是实验又观察到了,形成了这样一个矛盾。这是理论意义上的不可能,实验上又验证了。原因呢,在演晶学中一直是一个悬而未决的问题。这是为什么还能在铝和铂里面还能够看到变形孪生。我们就试图用我们这样一个原位实验方法呢,去研究呢,是不是有新的双晶形成这样一个机制机理。是不是能用原位这样的实验去捕捉这样的细节。方法呢?我们就是用磁通溅射的方法。生物这样一个薄膜 尺寸小到微米这样一个大小。我们希望看到偏位错的发生,和这个偏位错的孪晶的形盒的过程。这是薄膜,我们在两端类似加了两个支持物。两个支持物做拉伸的装载物。这是在球差电镜下多晶的薄膜的形状。我们可以看到,边界一层又一层,结构呢,我们可以看到发生了很多偏位错。这也是一个,这个是他自然长成的,就是在我们这个磁通溅射之后呢,做amiding,他就会从非晶呢长成这,bruangding sisiter ,和顾老师的传感器不太一样。你们是用那个灯光去照然后才能形成多晶体系。我们用那个admission那个多晶体系。所以我们这个green boundy和你们那个不一样。传感效率也不一样。这样我们可以具体实验做一做。那个时候我们不关心它的传感性,关心它的力学性.它的发射对错,对错极限。我们就进行了这样一个原位的拉伸实验。这样一个多晶体系的拉伸实验,全世界应该也就我们一个实验室在做 别的团队做不了。所以有这样一个小的工具呢,对学生来讲就比较容易。发文章就比较轻松,因为你做出来这些事别人都做不了。每一件事都是新的。王立华在?呆了三个多月,有了这样便携的工具呢,他只做了三个月,现在结果还没有发表。信息量很大,还有很多高质量的结果呢,还没有发表,另外呢,我们国家的硬件水平上来了,就可以允许我们这些先进的研发的自己去做。08年当时我们国家只有一台球差电镜,这个球差电镜不允许自己发展。自己也不敢上,因为怕伤害了。但是当时日本东京大学球差电镜比我们国家早有三年,把文章发了个遍。说来吧,在我们这实验随便做,所以,刘拍,刘拍也是我们湖北的。也去呆了一段。王立华去呆了三个月。收获非常大,其中一件事情就是把这个 我等会还要讲的,把铂里面非常高的孪生错误能量新过程大小聊的非常好。这些细节我就不仔细讲了。

这是一个孪晶增厚的一个过程,这是孪晶形盒的其中一个过程。但我们没有看到这个独特的, 我们看到的是实际上我们有这个实验结果,但还是不稳定,力不能太大,太大的力,形成好几层了。太大了不行。打破位置 正好只有观察的地方看得到,其他地方看不到。后来我们注意到,我们注意到一个细节,实际上到了纳米尺度之后,这个结构还不够,实际上,到了微米,它的晶界值特殊性,它的晶界值就有很多项,一个原子层,两个原子层,三个原子层的宽度,做了大量的比例。它的刻度(4558),这个时候就会发偏位错 ……我们关注晶界的同时,关注这些高,那么最后呢,王立华捕捉到的这样一个形式。开始的时候,是早期清晰,第二层呢,就是这个隔层的,最后呢,可以做一个无限小的材料,所以材料学家使劲的去,去熔炼也好,去杂质也好等等用各种方法 ,但是呢,另一方面,科学家很聪明,这个hall效应不能使劲往上提,提到一定程度就到了一个天花板了。就到了反霍尔效应了。那么这个东西只是理论。那么理论学家预测20方一百个纳米粒子就可以达到反hall效应,再小就会降低这个效率了。这个理论之前实验从来没有验证过,原理是什么,如果不遵循这个hall效应,还有韧性是通过什么形式来实现呢?这个问题也是我们非常基础性的问题,过去呢,实验手段比较少,原子基础尺度物理图像呢,一只没有得到回到。有没有hall效应,如果有hall效应,当原子小到这个尺度的时候,它的塑型到底是什么?这个一直没有得到很好回答。我们一直贴近这样一个薄膜,这样一个薄膜,,可以看到这样一个薄膜很干净地这样一个投影,我们也可以看到孪晶呢,他这个柱状行非常漂亮。所以非常运气啊,做这样一个样品,是我们清晰对很多科学问题进行研究。这是晶界尺寸分布,正好到这样一个(5310),这是个球差电镜很高呼声,下一个诺贝尔奖,常规的场发射的照片。我们看到很清楚对吧,但是对于孪晶,还是差老远了,真的!很多但是球栅消除了之后,很多细节,我们可以deal。现在这个,一会我有时间我再给你们讲讲球差电镜的故事,首先用这个实验发现了晶体的长大这么一个过程,通过这样一个过程,因为时间关系细节我就不多做介绍了,会发生变化,物理图像只有本源未源的使用图像,这样一个晶体的细节。这是多个晶体相互协调的,这个工作我们主要是发现了一个纳米晶体转动,在外力作用下晶界发生转动,和晶界转动原子的机制,这是球差电镜的deal。我们可以看到球差电镜下原子的从6.4度变到4.6,晶界的密度从两边到四边发生变化,这些细节都可以揭示出他是按的形式实现的,符合经典的可以用经典的来解释,这个工作也是一样,发展起来确实不容易。最后我们再通过大量的研究,我们找到这样的晶体尺寸,这样的尺寸角度,在大尺寸的时候通过全位扩,在小尺寸的时候通过到了,这样一个regin晶内可以静止,刚刚提到什么都有,驱动热力元越来越大,大到什么呢程度呢,不再通过晶内的控制来carry通过距离,共享……来承载,这些细节我就不多说了,大的弹性可以帮助我们发展新材料,合作的一个项目,发展一个大的超弹性的材料,我们过去做的纳米材料,纳米线,大家现在都有这个知识了,由于区间密度小,所以他能够受取,如果把这两种材料呢,结合在一起,都是大弹性的,这个大弹性能到哪儿呢,能到6% ,把他们结合在一起是不是会有新的性能,自然而然的这样一种想法,那么苏州大学通过这样一个理念成功的把拿到铜晶状复合在一起,最后得到一个性能非常优异的材料,通过各种方法,发展这个优异性,填补了材料密度性这样一个空白,那么,我想跟各位同学一起交流汇报一个这么个东西,这是我们这么多年,做的一个项目,前面我介绍了两个实例都是我们还要发展highlight这是一个非常难的事情,做这个事主要是我们国家的重大需求,就是飞机发动机项目,材料叶片也是要非常苛刻的工作条件的高温1150度,还有高速的旋转起来,受离心力的影响,长期不变,高温的影响,那么我们是不是可以发展一个实验工具来研究在什么实验条件下他的主体结构演化过程,这是全世界的难题,目前全世界还没有人来实现高温,那么我们这么多年也是来围绕一个基础科学问题所衍生出来的实验和技术上面的问题努力去解决,那么我们另外提出一个概念就是从显微组织结构具有的基因特点来去设计材料,达到宏观性能的表现,这是也是需要互相交流,日后我们是不是能够从结构出发,来设计气体传感材料,或者是其他材料,这是我们这么多年发展出来的这样一个方法,这个方法已经可以实现从室温到1150度,给施加力,doubletwo能够得到原子尺度的性能,同时呢我们也可以加上电极测量他的电磁信号,那么我们这个实际上可以测量不同温度下传感性能,这是初步做的一些材料,初步的验证性实验,目前很多实验只能在这个平台上去这是高温合金的原子的氧化,可以识别不同的元素,这是两个最新的实验,还有这个没有发展,刚刚,这是一个铜的600度的圆的拉伸,我们可以看到这个对比,发射消失跟闪电一样,这个过程,这边我们可以看到月容在高温下这个过程,我们可以看到这些缺陷发生和消逝的过程,闪电一样的快速的发生和消失,这样的实验就非常有意思,王玉华当时就是这样的做三个月,文章发了十几篇二十几篇还没发完呢,所以这里面的信息,我们最近提出一个概念叫大数据,一次的实验数据量极大,有时候一次实验就可以做出两三篇三四篇文章,后边还有一个,这个是刚才这几个的放大,可以看到,这应该是全世界第一次,铜的高温原子尺度的实验,这里面细节很多,另外跟大家分享一个,我们最近针对液体单晶锆合金的来进行验证来进行实验,那么这是高温合金典型的特点,我们要针对这样一个高温粒子结构来看他的显微结构的演化过程,那么这是这种原理呢是对原子系数敏感,原子系数越重越亮,里面掺了很多重 的元素,那么这些重的元素就是这样亮点,在这个不变音乐条件下,高温的过程,或者这些元素扩散过程, 我们可以通过这样一个实验来验证,世界上第一次进行原子层次的不变实验,具体细节我们还在总结,最后呢,我跟大家汇报一下,这个催化反应,所以我们现在有这样一个环境,这就是我们的球差电镜,,那么我们目前所允许用的就是这两个器件,氧气和氢气,二氧化氮由于污染太重,我们暂时禁止使用,日后再发展,那么主要是做这个事,这里我给大家提供了一个例子在氢的环境下,他的表明变化的过程, 我们可以看到会发生变化,在氢气的环境下不同的浓度,不同的温度,我们可以从升温一直到高温来看他的催化剂,或者是气体传感,他的结构的变化,都可以通过这个实验来揭示出细节来,那么这是氧气,氧化也可作为氢气,也可以作为氧气的传感,氧化还原反应基本上可以在我们平常来做,我们可以用不同的材料来做,这么在这儿跟校长和同学分享一下基本的刚刚做出来的还没有发表的,最后给大家列几个同学,王丽华同学,校友,以前在我们学校读过书,读了博士然后留校最近发展的不错,文章也不错,这些文章就三个实验,而且现在还有没发表的,下面就是李昂,正在做非常有经验,气体实验等等,谢谢大家,大家有什么问题抓紧时间,原味高温反应,因为电镜里面是真空环境,对有些氧化物会失氧,或者还原反应,怎么解决问题?我们会遇到这样的问题, 我们考虑空间分配律,能量分配律,只是做的结构,加电极,加力,传感器……很多的化学反应,要考虑这些因素,我们要评估一下,高温合金有这样的能力做这个实验,但实际上没有这么高的温度,真正到了这么高的温度,合金 的升华速度很严重,没有真空,满足不了材料对真空度的需要,对于原味,永远不知道,但是可以忽略不计,找到一个平衡点,硬件能定量吗,压缩的实验刚做出来的,这是很的实验,这个陶瓷样品, 我们可以用这个来做,我们做这个,我们可以估算这个力,对于金属来讲不会做,形成的原因?宏观材料看不到,纳米材料才有,画圆,只有大的时候密度比较高,不满足高能量,所以对于纳米晶体来讲,很稳定。


『责任编辑:王焯』
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