雪梨大學（University of Sydney）的研究人員開發出一種新的顯微鏡方法，利用原子探針斷層掃描技術探索材料的原子級變化，並有望在材料科學和工程學領域取得重大進展。

一種新的顯微鏡技術使研究人員能夠觀察結晶材料原子結構的微小變化，如造船用的高級鋼材和電子產品用的客製化矽。這種方法有望加深我們對材料特性和行為的基本起源的理解。

在發表於《自然-材料》（Nature Materials）的一篇論文中，雪梨大學航空航天、機械和機電工程學院的研究人員介紹了一種解碼材料內部原子關係的新方法。

這項突破有助於為航空航太業開發更堅固、更輕的合金，為電子產品開發新一代半導體，為馬達開發改良磁鐵。此外，它還能創造出可持續、高效和具成本效益的產品。

這項研究由雪梨大學副校長（研究基礎設施）西蒙-林格（Simon Ringer）教授領導，利用原子探針斷層掃描（APT）的威力揭示了短程有序（SRO）的複雜性。短程有序過程是了解局部原子環境的關鍵，而局部原子環境對於開發新一代合金和半導體所需的創新材料至關重要。

SRO 有時被比喻為”材料基因組”，即晶體內原子的排列或配置。這一點非常重要，因為不同的局部原子排列會影響材料的電子、磁性、機械、光學和其他特性，而這些特性會影響一系列產品的安全性和功能性。

原子探針模擬的二維原子影像。資料來源：雪梨大學

迄今為止，研究人員一直難以測量和量化SRO，因為原子排列的尺度非常小，傳統的顯微鏡技術很難看到。

Ringer 教授團隊開發的使用APT 的新方法克服了這些挑戰，為材料科學的進步鋪平了道路，可能會對船體用鋼和各行各業電子產品用定制矽產生深遠影響。

航空航太、機械和機電工程學院（AMME）的材料工程師Ringer 教授說：「我們的研究在材料科學領域取得了重大突破。除了晶體結構和對稱性，我們還想更多地了解晶體內原子尺度的鄰域關係–它們是隨機的，還是非隨機的？性，這些材料具有特定的鄰域排列，可實現所需的特性，如強度。

研究的重點是高熵合金，這種合金在各種先進工程應用上大有可為。

Ringer教授說：「這些合金是全球大量研究工作的主題，因為人們希望將它們用於需要高溫強度的場合，如噴氣發動機和發電廠，以及需要防止輻射損傷的核反應器中的中子輻照屏蔽。

研究小組利用先進的數據科學技術，借鑒了APT 的數據。 APT 是一種複雜的成像技術，能以三維方式顯示原子，使研究小組能夠觀察和測量SRO，比較合金在不同加工條件下的變化。

研究重點是觀察鈷鉻鎳高熵合金，揭示不同的熱處理如何改變SRO。

“這為今後研究SRO控制關鍵材料特性提供了一個模板。”Ringer 教授說：”在SRO 分析的各個方面還有很多工作要做–這是一個難題，但這是向前邁出的重要一步。

航空航太、機械和機電工程學院博士後研究員何孟偉博士說：

“測量和理解短程有序的能力改變了我們的材料設計方法。它給了我們一雙新的眼睛，讓我們看到原子級結構的微小變化是如何實現材料性能的巨大飛躍的”。

重要的是，這項研究提高了研究人員對材料行為進行計算模擬、建模和最終預測的能力，因為SRO 提供了詳細的原子尺度藍圖。

高級博士後研究員安德魯-布林（Andrew Breen）博士說：”我們已經證明，在某些情況下確實可以使用原子探針斷層掃描技術測量SRO。我們不僅開創了測量SRO的實驗方法和計算框架，還進行了靈敏度分析，精確界定了這種測量有效且無效的情況範圍。

威爾-戴維德（Will Davids）博士在林格教授的指導下完成了博士學位，目前在工程公司Infravue工作：”這是一個令人興奮的進步，因為我們已經證明可以在多組分合金中進行SRO測量，這無疑將使材料科學與工程界受益匪淺。

編譯自/ ScitechDaily