973项目申报书——2009CB623700-先进材料性能与结构演.doc

项目名称：先进材料性能与结构演化间关系的现代表征方法及科学问题的研究首席科学家：张泽 北京工业大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：北京市科委一、研究内容主要研究内容l 探索现代电子显微学新方法和理论基础的研究：重点研究材料中亚埃尺度原子成像的条件和方法，包括：球差校正成像、变焦出射波重构成像、Z衬度像等综合技术应用于现代先进材料研究的新方法；轻、重原子，正、负离子，合金化元素等原子尺度选择成像的方法，精确地确定材料中对性能敏感的关键结构元素间的关联和耦合作用。l 结合现有透射、扫描电子显微技术和扫描探针技术（原子力显微镜），自主发展针对低维单体（如单根准一维线等）的力学、电学、光学等物理性能与显微结构一体化测试、表征技术平台。为低维材料的基本物理性能、显微结构与材料尺度之间关系研究提供新的表征手段和测量技术。通过外场作用下对低维单体材料物理性能和显微结构原位/实时的研究，揭示与之相关的新现象，发展新材料和新应用。l 利用和发展超高分辨电子显微分析方法，对国家重点发展的高性能轻质（铝、镁、钛）合金以及重要高温合金的强化析出相（包括弥散强化相和长周期结构强化相）的相结构和成分、形貌、取向、分布等开展系统和深入的定量研究，特别着重在一定理化条件（如温度、应力、合金成分）下早中期析出相（或长周期结构）的结构表征，以及稀土元素的存在和分布状态、并探索各种析出相的形成、演化机制。通过上述基础问题的研究，促进国家材料发展中重大关键科学问题的解决。拟解决的关键科学问题l 元素选择的原子成像机理与方法。通过理论分析、数值模拟计算和图像处理，建立电子与固体中各种轻重原子相互作用、以及电子波在电镜关键光学系统中传播过程的准确清晰的物理模型和图像，以获得固体材料中元素选择的原子成像新技术、新方法，包括：球差校正电镜中非线性信息对原子成像和分辨率的影响，固体中轻、重原子成像方法，部分相干STEM中原子序数（Z）衬度成像的影响，固体中特定元素原子成像不同方法的选择等基本问题。l 精确实施对准一维单体材料原位操控和多场耦合作用，在原子尺度研究材料物理性能与显微结构演变间关系的动态过程。包括：材料在力场、电场、磁场、光等作用下能带结构、电导、发光性质的变化规律；在尺寸/表面作用下，准一维单体在外应力场作用下的脆-韧转变行为；低维固体非晶态结构的断裂机理与弹塑性转变；等等。这些在低维尺度尚未深入了解的材料科学问题，将直接影响微电子材料和器件的设计、制备、稳定性等。研究的难度还包括晶体结构、晶体学取向完全相同、仅在某一维尺度上不同的低维材料的制备。l 增强析出相的结构（特别是其早中期结构）及其演变规律一直是发展现代高性能轻质合金未解决或尚未完全解决的基础科学问题。传统观测手段的限制曾经是问题未能解决的一个重要原因。现代电子显微技术的发展为较彻底地解决此类科学问题提供了可能。本项目应用并发展现代电子显微技术，开展关于介观尺度上强化相沉淀初期的相结构、成分、形貌、晶体学取向、分布、及其在不同成分及工艺处理条件下演化过程的定量研究和理论分析，有可能带来析出相演化理论的突破性进展。以上三个科学问题之间关系：本项目第一个科学问题为当今世界上电子显微学用于现代物质结构研究的前沿领域，属先进实验方法和技术基础。实现亚埃尺度的原子成像，对研究解决结构演变敏感的现代功能材料、高性能合金材料的关键性科学技术难题，具有重要作用。本项目关注的第三个科学问题，实际上就是第一个科学问题在当今国家重大需求的材料问题上的直接应用。如上所述，高性能轻质合金的关键技术难题，主要涉及强化相和微结构的调控，而相应的结构研究，期待着亚埃尺度的原子分辨成像。所以，本项目的一、四课题分别从发展新方法及其在材料研究重大需求应用两方面相得益彰。第二个科学问题，是当今纳米科技发展研究中分析测试技术的瓶颈性难题，其研究发展对提升我国纳米科技发展水平，促进新技术生长点发展，具有重要基础作用。由此发展出具有自主知识产权的新技术、新装置，完全可引用到第一个科学问题研究中来，使原位外场作用下的结构研究，提升到亚埃尺度。此外，还可以将研究此科学问题的成果，引伸到第三个科学问题中去，研究高性能轻质合金中强化相在应力等外场作用下的结构稳定性等问题。因此，第二科学问题的关于发展独特的外场作用下的原位观察，可将第一和第三个科学问题，有机联系起来。 二、预期目标总体目标：1. 利用亚埃尺度原位（包括服役状态）综合测量技术，发展元素选择成像技术的实验和计算方法，研究建立低维材料的力学、电学和磁学等性能与微结构间的联系；实现在几个我国有重大展略需求的材料方面的应用，建立能在亚埃分辨水平进行材料性能与结构间关系研究的综合平台。2. 结合、改进和提高现有透射电子显微学技术、扫描电子显微技术和扫描探针显微技术（原子力显微镜），研究建立针对低维单体（如单根准一维材料等）的力学、电学、光学等物理性能与显微结构一体化测试、表征技术平台。为低维材料的基本物理性能与显微结构关系研究提供新的表征手段和测量技术。通过外场作用下对低维单体材料物理性能和显微结构原位/实时的研究，发现与之相关的新现象，新规律，发展新材料和新应用。在此基础上设计和研制具有我国自主知识产权的新型材料和介观尺度器件基本组元，使我国在相关领域的研究水平和技术开发能力处于国际最好水平之列。3. 利用和发展现代显微分析测试方法，研究现代高性能轻质合金中介观尺度析出相，特别是早中期析出相的结构和成分以及材料组织结构（析出相尺寸、位向关系、形貌、取向、分布等）的表征（测量）及其在一定理化条件（如温度、应力、合金成分）下的演变及机理。根据上述基础问题研究的需要，发展实现材料介观尺度区域结构和成分表征（测量）的新方法。寻求从微观机理上揭示材料力学性能变化的规律，获得科学指导发展高性能材料的成分和工艺设计的新路径，增强我国材料工业和制造业的国际竞争力和创新能力。为满足“大飞机”和国防航空材料这类国民经济发展的重大技术需求服务。五年目标：1. 发展电子显微镜中亚埃尺度元素选择等成像技术和谱学等技术的综合研究方法。实现一些重要材料中轻、重原子，正、负离子，合金化元素等选择成像。提供原子尺度的材料的组成、各元素作用和元素间的关联和耦合作用、工作机理等信息。解决有关材料中缺陷组态、界面精细结构等重要基本科学问题。实现在几个我国重大战略需求材料方面的应用，建立能在亚埃分辨水平进行材料性能与结构间关系研究的综合平台。2. 自主设计开发适用于高分辨透射电子显镜的“嵌入式”可操控“低维材料智能载网”。使其在外场（电子束辐照、电流、电场及温度场）作用下可实现位移驱动，从而实现准一维线的形变操作。揭示不同键合类型的一维材料在多场耦合作用下的显微结构、物理性能与材料尺度之间关系。3. 自主设计开发能在扫描电子显微镜样品室内进行单体准一维材料操纵和力学/电学性能耦合测量单元；完成单体准一维材料形变过程中力学信号、电学信号、位移信号等微弱信号的探测、采集与处理及显微结构的原位观察。4. 自主研发气氛可控制的微注入系统，用于纳米材料生长机理的原位研究； 自主研发基于电子显微镜体系，能够进行原位、实时、动态和在线的发光性质研究的近场阴极荧光（Near-Field Cathodoluminescence, NFCL）分析方法和技术。5. 完善和优化显微原位生长体系的可控性，使得低维材料的原位生长研究更具可操作性、可重复性。6. 利用和发展超高空间分辨显微分析方法，获得高性能7XXX等系铝合金及稀土高性能镁合金中析出相结构模型，以及这些相早期的位向关系、形貌、取向、分布等定量表征和演变规律，建立合理模型分析和解释测量结果及相关力学性能变化。三、研究方案围绕项目的研究目的，发展和选择对现代材料科学发展有重要科学意义的先进表征方法及其在重大应用背景方面的问题，在项目实施过程中，分层次地在对现代表征和测量研究方面分三方面部署：首先开展国际分析测试技术发展的前沿性基础研究，提高原子层次及原位、外场作用下的综合分析能力研究；创新性研制具有明显特色和先进性的装置，发展解决关键科学问题的新分析测试方法，以适应现代材料科学表征测量技术的多样性和变化较迅速的特点。其次发挥显微分析综合能力强的优点和本项目新技术新方法发展的成果，部署了对现代先进材料重要关键性能和组织结构内在关联的研究，以期发现新的现象并深入研究其规律性。第三，在发展先进分析测试技术和方法的基础上，我们还部署了针对国际上有重要应用背景的高性能轻质合金材料技术难关和关键科学问题的探索研究，以期对影响国民经济发展的关键重大技术问题，提供有力科学支持。在这当中，新方法、新装置、新技术的发展即新的分析测试技术的研究具有关键性，可以为所有课题组采用；性能的深入了解在材料的研制中有典型示范性质，它将反馈对表征技术的要求，同时也为上述三部分的工作提供理论基础。这样的思路也是我们上一个973项目研究的提升和深入，力图把科学问题的研究推到国际最前沿，并对国家重大需求提供有力的支持。无论是亚埃尺度元素选择成像方法的研究，还是原位/外场耦合测试平台的搭建，都要实现在具体材料上的应用，都要以解决具体的科学问题为目的，因此目标明确，可操作性较强。在课题的部署上，每个课题组之间各有侧重，又密切交叉，可以形成一个紧密协作的有机整体。本项目分为五个课题，各个课题主要研究内容阐述如下：2009CB623701固体中亚埃尺度元素选择成像电子显微学方法及其在材料科学研究中的应用 承担单位：清华大学，湖南大学研究目标和内容：充分理解亚埃尺度元素选择成像的衬度机理，发展有自己特色的原子分辨的元素选择成像和谱学综合结构研究方法。实现一些重要材料中轻、重原子，正、负离子，铁磁性原子、合金化元素选择成像。提供原子尺度的材料的组成、各元素作用和元素间的关联和耦合作用、工作机理等信息。解决材料中的若干个科学问题。实现原子尺度成像方法研究复杂结构的相及其中位错缺陷芯部的原子构成。负责人：朱静（中科院院士）经费比例: 23 %2009CB623702 外场作用下单体低维材料物性与结构演变关系的表征测量 承担单位：北京工业大学，清华大学研究目标和内容：结合、改进和提高现有透射电子显微学技术、扫描电子显微技术和扫描探针显微技术（原子力显微镜），发展针对低维单体（如单根准一维线等）的力学、电学等物理性能与显微结构一体化测试、表征技术平台。为低维材料的基本物理性能与显微结构关系研究提供新的表征手段和测量技术。通过外场作用下对低维单体材料物理性能和显微结构原位/实时的研究，揭示与之相关的新现象，发展新材料和新应用。负责人：张泽（中科院院士）经费比例: 20 %2009CB623703 基于电子显微术与探针显微术的原位生长-动态表征-性能测量的方法及其在材料研究中的应用 承担单位：北京大学;中科院理化技术研究所研究目标和内容：研究原位生长的机理、缺陷形成机理、掺杂机理等基本问题，从本质上了解低维材料的一维择优生长的奥秘，为真正实现材料的人工可控生长与组装提供理论依据。同时进行原位外场作用下的结构与物理性能间关系测量；自主研发气氛可控制的微注入系统，用于纳米材料生长机理的原位研究；自主研发基于电子显微镜系统，能够进行原位、实时、动态和在线的发光性质研究的近场阴极荧光（Near-Field Cathodoluminescence, NFCL）分析方法和技术。负责人：俞大鹏（长江教授，杰出青年基金）经费比例: 23 %2009CB623704 高性能轻质合金中多相复杂体系原子尺度表征与材料强韧化调控 承担单位：湖南大学；北京工业大学研究目标和内容：结合原子分辨的高分辨电子显微镜技术(HREM)和透射扫描电子显微镜高角度环形暗场技术（HAADF-STEM）等技术形成综合性新方法，研究铝/镁高性能合金中介观尺度析出相，特别是通过不同理化条件（如温度、应力、合金成分）下早中期析出相结构和材料微结构的表征（测量），揭示和理解析出相的结构和材料微结构的演变规律。寻求从微观机理上揭示材料力学性能变化的规律；研究Mg-(Y,Ga)-Zn 三元和四元合金系中LPS的形成机制,结构/成分特征以及在不同热处理条件下的结构转变规律，建立相关的原子结构模型，并探索其它过渡族和稀土元素添加对析出相和LPS的综合影响，为指导设计弥散析出和LPS复合强化的新型高强Mg合金提供知识基础。负责人：张辉 教授经费比例: 18 %2009CB623705 材料中缺陷组态、界面结构以及电子显微学方法研究 承担单位：中国科学院金属研究所；北京大学研究目标和内容：发展原子序数衬度像图像处理的新方法，克服电镜分辨率的限制，解决有关材料中缺陷组态、界面精细结构等重要基本科学问题。精确地确定复杂结构相中缺陷组态的原子位置和占位，揭示复杂结构相中位错核芯的原子结构。揭示纳米薄膜材料与衬底之间原子尺度的界面结构及电子结构，并从中发现新的现象。负责人：马秀良（杰出青年基金）经费比例: 16 %课题之间的关系以及课题与项目之间的关系原位外场下显微结构和性能关系课题一、课题五课题一侧重亚埃尺度元素成像方法，课题五侧重缺陷和界面的结构电子显微方法课题二侧重原位测试平台的搭建和材料性能与结构关系的动态表征，课题三侧重原位生长和电子束微加工技术课题二、课题三课题四高性能轻质合金 四、年度计划研究内容预期目标第一年电子显微学方法研究1) 亚埃尺度元素选择成像方法研究；2）变焦出射波重构成像技术研究；3）Z衬度像方法研究；X-射线能谱学研究；4）亚埃尺度电子能量损失谱学研究；5）研究钢铁和合金材料中析出相的精细结构及对性能影响；6）研究复杂结构相(如Mg合金或Al合金中的沉淀强化相等)的晶体学特征。通过基于第一原理的有关计算定量考察原子间距在缺陷处的微小变化、位错核心处原子的占位情况及可能的空位。研究位错核芯区可能的电子效应背景；7）通过对复杂结构相的原子序数衬度像的模拟，研究不同实验条件对最大熵图像处理的影响；8）在原子尺度下研究不锈钢中MnS夹杂物和基体界面的结构。原位外场下电子显微结构和性能的关系：1）设计并制作适用于高分辨透射电子显微镜的“嵌入式”可操控“低维材料智能载网”；2）纳米线力学性能和电学性能的原位测量；3）催化剂小粒子原位研究的硬件设计； 4）完善纳米材料生长机理的原位研究系统，对气相反应物浓度、分布等微观参数可控制备II-IV 族半导体一维纳米结构，并实现纳米结构表面功能化；可控合成一维有机光电功能纳米结构，研究其光电性质；5）制备形貌可控的纳米硅线阵列，研究纳米硅线阵列的光电性能及修饰。轻质合金研究：1） 优化合金成分，结合热处理工艺研究各合金元素及其含量对材料宏观性能的影响。主要利用常规高分辨电镜技术探明目标铝/镁/钛合金中析出相的一般析出规律、晶体学特征、成分范围和大小分布；2）研究6XXX系铝合金中早期析出相的稳定性问题。1) 提供复杂合金相中有关缺陷组态的原子尺度的结构信息；2) 揭示原子序数衬度成像实验条件对图像处理的影响，确定适当的实验成像条件；3) 揭示造成界面活性较高的内在原因，在原子尺度下对MnS引发不锈钢点蚀的机制做更深层次的剖析；4) “低维材料智能载网”在外场作用下实现位移驱动；5) 揭示准一维材料在多场耦合作用下的显微结构-物理性能相关效应；6) 实现低维材料原位生长的可控性和可操作性；7) 在现有环境扫描电镜中引进微注入系统，对气相反应物浓度、分布等控制纳米材料形核与生长的工艺参数有一个全面、微观层次的理解；实现低维材料原位生长的可控性和可操作性；8) 揭示硅表面修饰的有效方法和途径；实现一维有机纳米结构的可控制备，揭示一维有机纳米结构的光电性质；9) 实现II-VI半导体纳米结构的可控制备，并实现其表面功能化；10) 确定目标合金成分，阐述各合金元素对材料性能的影响，就合金成分的确定，析出规律、晶体学特征、成分变化和尺寸，及其与宏观性能的关系；11) 发表SCI文章30篇，申请专利2项。第二年电子显微学方法研究1) 解决综合应用第一年中的各种技术应用于材料研究中存在的问题；2）结合原子分辨的结构信息，研究与之相结合的第一原理计算方法；3）研究铁电和多铁材料中轻重元素选择成像，研究铁电畴、畴壁精细结构；4）催化剂小粒子表面精细结构研究；5）开展三维重构像的研究；6）利用球差校正透射电镜，研究一维纳米材料的精细结构；7）研究高温合金中析出相的缺陷结构；8）通过相干高分辨成像研究多层氧化物界面的失配及缺陷组态，研究界面与薄膜厚度、晶格失配关系。通过非相干高分辨原子序数衬度成像获得原子尺度界面结构信息；9）研究Al-Cu-Mg系合金中时效早期析出相，获得早期析出相的高分辨率Z衬度像，分析Cu和Mg元素的占位；亚埃尺度下的早期析出相的纳米电子束EELS研究；10）利用第一原理方法研究不锈钢中MnS局域缺陷以及MnS和基体界面的电子结构与特性。原位外场下电子显微结构和性能的关系：1） 纳米线力学性能和电学性能的原位测量；2）基于原子力显微镜的控制和工作原理，设计一套可以放置在扫描电子显微镜样品室内的单体低维材料操纵和性能测量单元；并原位研究准一维单体在外场下显微结构演化；3）研究纳米层次结构的生长机理；4）利用球差校正透射电镜研究原位生长的纳米层次结构的界面特性，分析生长条件与界面结构；5）利用所得到的一维纳米结构为衬底，通过微注入等手段实现纳米层次结构的原位生长；6）利用SEM/CL,研究纳米层次结构的电子结构、输运性质。轻质合金研究：选择性能优异的合金成分，结合合金的单级热处理工艺，研究析出相析出规律，如时效中早期各种等析出相析出的大致温度范围以及合金元素比例对析出相的影响。利用超高空间和高能量分辨的电子显微技术测定不同阶段单级热处理后析出相的晶体学结构、成分、形貌、与基体的取向关系以及分布情况，并结合能量计算探索析出相的演化机制。1) 初步建成亚埃尺度元素选择成像的软、硬件平台；2) 揭示高温合金等材料的力学行为与显微结构的内在联系；3) 揭示氧化物多层膜界面材料的界面晶体学特征、化学键合形式及电子结构；揭示薄膜的成分、厚度、晶格间匹配关系等对性能的影响规律；4) 构建早期析出相的原子模型，获得早期亚埃尺度析出相的电子结构信息和弹性参数；5) 揭示不锈钢点蚀形核的内在本质；6) 在扫描电镜中实现位移驱动的精确控制和单体低维材料的操纵，并根据不同的测量功能可以方便地对单体低维材料施加外场（电场，力场）；7) 实现纳米层次结构原位生长；8) 揭示纳米层次结构的生长机理；9) 揭示一维纳米材料的精细结构；10) 揭示纳米层次结构的界面特性以及与制备工艺的关系；11) 揭示纳米层次结构的电子结构及输运特性；12) 掌握各种析出相在单级热处理下的析出条件，如温度、合金元素比例等对析出相的影响；13) 对各阶段的析出相有清晰的定义，包括其晶体学结构、成分以及与基体的位向关系等，测定析出相结构；14) 结合第一原理计算，初步理解析出相在成分、结构等方面的演化规律；15) 发展有自己特色的波函数重构软件和像计算软件16) 自主发开出适用于扫描电镜，能够进行原位、实时、动态和在线的物性研究的近场阴极荧光(Near-Field Cathode Luminescence, NFCL）分析方法和技术。17) 发表文章40篇以上，申请专利4项以上。第三年电子显微学方法研究：1） 研究催化剂小粒子，探讨贱金属催化剂部分代替贵金属催化剂的可能性；2）研究高性能高温合金精细结构，探讨微合金化和合金化元素对其性能影响；3）开展多层膜界面结构研究；4）铝合金材料析出沉淀相研究；5）钢铁材料精细结构研究；6）小粒子三维重构像的研究：7）Al-Cu-Mg合金中小尺度过渡相的结构与成分；8）采用分子动力学方法研究复杂合金相中位错核芯的原子结构；9）第一原理研究确定薄膜异质界面原子的成键特征、键长及其电子结构。原位外场下电子显微结构和性能的关系：1） 基于扫描电子显微镜和悬臂梁变形的纳米力学性能测试系统及准一维纳米单体材料的多场耦合支持器，进而完成设计并制作扫描电子显微镜中准一维纳米材料的多场耦合测试平台；2）对现有的阴极荧光系统进行改造，在阴极荧光系统中引入近场收集系统、微操纵系统等。轻质合金研究：根据晶体学数据对铝合金中各种析出相进行比较清楚的分类和定义，并针对镁合金研究稀土元素的存在和分布状态、介观尺度析出相/LPS的时效形成过程、相关结构/成分变化等，解答未知或尚存争议的重要问题。将自己发展的波函数重构方法和像计算方法应用于目标合金中早期“原子集团”的结构。1） 为模型催化剂和工业实用催化剂的研制提供基础信息；2） 了解宏、微合金化元素在钢铁、合金材料中的分布和作用;铁磁性元素在一些相关磁性材料中的分布与作用;3） 建立早期析出相和对应的过渡相的结构联系，揭示强化相析出的微观机制；4） 揭示复杂合金相中位错核芯的微观物理机制；5） 解析多层膜异质界面处原子间成键特性及电子结构6） 实现对一维单体低维材料施加外场（电场，力场）等并进行原位显微结构表征的测试单元。7） 阴极荧光系统能够适合于电场、应力、光激发作用下，介观尺度下线、颗粒发光谱的接收，研究应力作用下材料发光性质的变化规律；8） 对析出相的晶体学结构、能量稳定性有一个较清楚的理解。9） 发表SCI文章40篇以上，申请专利5项以上。第四年电子显微学方法研究：1）催化剂小粒子，探讨溅金属催化剂部分代替贵金属催化剂的可能性；2）高性能高温合金精细结构，探讨微合金化和合金化元素对其性能影响；3）多层膜界面结构研究；4）铝合金材料析出沉淀相研究；5）钢铁材料精细结构研究；6）系统阐述界面结构在理解磁电耦合效应及其产生机理方面的作用；7）研究Al-Zn-Mg-Cu系合金中早期析出相，获得早期析出相的高分辨率Z衬度像，分析各合金元素的占位；早期亚埃尺度析出相的纳米电子束EELS研究；8）高分辨率Z衬度像研究Al-Zn-Mg-Cu系合金中的过渡相（如），并进行纳米电子束EELS研究。结合第一原理的理论分析和优化，确定GP区的最大可能的原子结构。然后，计算其电子结构和弹性参数，并与EELS分析结果相对比。原位外场下电子显微结构和性能的关系：1） 用前三年完成的多场作用下单体低维材料物理性能与结构演变相关性原位/实时综合测试系统对单体低维材料进行结构-物理性能相关性研究，以及多场耦合作用下单体低维材料物理性能的研究；2）利用透射电镜高能电子束加工技术，开展介观尺度下孔的精确加工研究。轻质合金研究：研究目标铝合金中早期析出相和析出强化相之间的演变关系。在前三年的工作基础上，开始研究复杂热处理条件下合金中析出相的析出规律，并结合宏观性能测量，优化热处理工艺。1） 确定多层膜不同种类原子在界面的空间配置，建立薄膜厚度与界面结构的关系；2） 构建GP区的原子模型；3） 建立GP区和对应的过渡相的结构联系，揭示强化相析出的微观机制；4） 获得原位外场下一些典型低维单体结构物理性能和原子尺度点阵分辨率下显微结构之间的关系；5） 实现低维材料应变-显微结构-电学性能的三