特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
推薦閱讀：
研究背景
材料的功能性由其成分和微觀結構決定，即晶粒、晶界和其中缺陷的分布和取向。因此，應用驅動的材料制造需要了解材料的底層結構和成分（通常在納米級），以及它們與功能的聯系。這在許多領域都非常重要，包括催化、能量存儲和轉換和永磁體。
關鍵問題
然而，材料微觀結構的表征主要存在以下問題：
1、對材料內部缺陷的精確識別和分析仍存在挑戰
盡管可以實現納米級的成分映射，但表征晶體缺陷的分布、類型和拓撲結構及其在外部刺激下的動態行為仍然是一個艱巨的任務。這涉及到對材料內部缺陷的精確識別和分析，這對于理解材料的宏觀性能至關重要。
2、擴展體積的3D取向圖的獲取通常需要破壞樣品結構
到目前為止，描繪晶粒分布、取向和缺陷存在的表征技術僅限于表面研究、幾百納米的空間分辨率或約100納米厚度的系統，因此需要破壞性樣品制備進行測量，無法研究系統代表性體積或在操作條件下研究材料。
新思路
有鑒于此，蘇黎世聯邦理工學院Andreas Apseros, Valerio Scagnoli及馬普固體化學物理研究所Claire Donnelly等人介紹了X射線線性二向色取向斷層掃描 (XL-DOT)，這是一種定量、非侵入性技術，可用于在三維空間中對擴展多晶和非晶材料進行晶內和晶間表征。作者對五氧化二釩 (V2O5) 多晶樣品進行了詳細表征，五氧化二釩是生產硫酸的關鍵催化劑，以73納米的空間分辨率確定整個多晶樣品的納米級成分、微觀結構和晶體取向。作者識別和表征晶粒以及扭曲、傾斜和孿晶界，進一步觀察到由于體積晶體缺陷的存在而產生的拓撲缺陷和消失。該方法的非破壞性和光譜性質為功能材料（包括能量、機械和量子材料）的化學和微觀結構研究提供了新的機會。
技術方案：
1、簡述了本文的實驗方法
作者利用XL-DOT技術使V2O5晶體c軸3D取向和缺陷分析成為可能，通過多軸探頭投影和X射線二向色性，實現納米級分辨率的微觀結構成像。
2、利用XL-DOT方法進行成分分析和定向斷層掃描
作者通過非共振斷層掃描圖揭示V2O5中不同材料，XL-DOT技術區分單晶和多晶體積，高分辨率c軸取向圖檢測晶粒邊界，分析晶粒尺寸和形狀相關性。
3、利用3D c軸取向圖能精確識別晶體缺陷
作者利用3D c軸取向圖精準識別V2O5晶體缺陷，包括孿晶、扭曲和傾斜晶界，揭示了晶體取向的復雜結構。
4、利用XL-DOT技術還發現了拓撲缺陷
作者利用XL-DOT技術揭示了V2O5中的拓撲缺陷，如彗星和三葉草缺陷，展現了缺陷的動態演變和相互作用。
技術優勢：
1、開發了可以實現無損原位成像的XL-DOT技術
作者利用XL-DOT技術，能夠對多晶V2O5中的納米級晶粒、晶界和拓撲缺陷進行3D映射。通過獲取不同樣品取向下的高空間分辨率同步加速器X射線疊層投影，并結合定制的重建算法，實現了以納米級空間分辨率恢復材料的3D成分和取向圖，這是對材料微觀結構進行無損原位成像的關鍵進步。
2、實現了納米尺度下的3D定量表征
本文開發的技術能夠對擴展多晶和非晶材料進行3D定量、非侵入性和同時進行的晶內和晶間表征。這種在納米尺度上對材料進行詳細繪制的能力允許研究人員在納米尺度上詳細繪制晶粒結構，這對化學工業中催化劑的研究至關重要。
技術細節
實驗方法
通過執行XL-DOT技術，作者成功確定了多晶V2O5樣品中晶體c軸的3D局部取向，揭示了晶粒取向和缺陷。實驗裝置通過圍繞多個斷層旋轉軸獲取對分量敏感的探頭投影，以描述晶體取向的三個分量。利用X射線線性二向色性，依賴于入射X射線束偏振與晶體c軸間的相對角度，調整X射線能量至V K邊前邊緣，研究V2O5的局部微觀結構。通過疊層衍射成像技術捕獲相位投影，檢測到較弱的線性二向色信號，并對280個相位投影進行高精度對準和3D重建，生成c軸取向斷層圖像，分辨率達到73nm。此外，通過將X射線能量調節至5.4keV，獲得了無二向色性貢獻的高分辨率電子密度斷層圖像，用于局部成分分析，空間分辨率為44nm。這些技術的進步為材料微觀結構的無損原位成像提供了重要工具。
圖 XL-DOT實驗裝置
成分分析和定向斷層掃描
非共振斷層掃描圖提供了樣品電子密度的高分辨率映射，揭示了V2O5固體區域及空氣和聚苯乙烯的納米多孔區域。XL-DOT技術獲得的3D c軸取向圖展示了復雜的晶體結構，能夠區分單晶和多晶體積，并識別出具有不同晶體取向的晶粒。高分辨率的c軸取向圖還使檢測與低至10°角度失配相關的晶粒邊界成為可能，從而分割具有不同晶體取向的晶粒。晶粒尺寸和形狀之間的相關性分析顯示，較大的晶粒更細長，而較小的晶粒更球形，這些信息對于理解和優化材料性能至關重要。
圖 使用XL-DOT在納米尺度上對材料的成分和微觀結構進行3D映射
晶體缺陷
3D c軸取向圖能精確識別晶體缺陷，包括晶粒邊界和紋理。它不僅能區分平面晶間和晶粒內晶體缺陷，還能繪制晶粒內傾斜、扭曲和孿晶晶界的局部結構。例如，通過分析V2O5樣品，研究人員能夠識別出孿生缺陷，其中c軸與晶界呈約40°角，顯示鏡像對稱性。此外，還觀察到多晶區域中晶體取向的突然變化，包括扭曲晶界和傾斜晶界，這些邊界與高旋轉角度相關。
圖 使用XL-DOT檢測晶體缺陷
拓撲缺陷
XL-DOT技術不僅揭示了晶粒取向，還發現了拓撲缺陷，如彗星和三葉草缺陷，這些缺陷在向列相和生物系統中也有發現。這些缺陷與局部拓撲電荷+1/2和?1/2相關，且必須成對產生或湮滅以保持整體拓撲電荷。XL-DOT通過觀察晶體體積缺陷附近的拓撲缺陷空間演變，揭示了這些缺陷的動態行為，類似于液晶、生物系統和磁體中觀察到的拓撲缺陷動力學。結構體積缺陷在拓撲缺陷演變中起著關鍵作用，由于它們是受限體積缺陷，不提供無限邊界，因此系統的整體拓撲得以保存。
圖 晶體體積和拓撲缺陷
展望
總之，XL-DOT技術的發展實現了對多晶V2O5柱中納米級晶粒、晶界和拓撲缺陷的3D映射，能夠無損地揭示孿晶、晶界等微觀結構。這一技術彌補了高空間分辨率成像與大樣品低分辨率成像之間的差距，適用于多種材料，包括非立方晶體、磁性和非晶態材料。XL-DOT通過線性二向色性檢查材料的短程有序，為材料微觀結構的原位映射提供了新途徑，有望在材料合成和外部刺激響應中探索微觀結構演變，對改進社會相關行業中的設備具有重要意義。隨著第四代同步輻射源的發展，XL-DOT的測量速度和空間分辨率將得到進一步提升。
參考文獻：
Apseros, A., Scagnoli, V., Holler, M. et al. X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects. Nature 636, 354–360 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08233-y
