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晶格缺陷是材料中的重要组成部分。相对于完美基体，缺陷处的对称性、原子构型、电子结构都发生变化，在调节材料整体的力学、电学、发光和磁性行为方面发挥着关键作用。然而，缺陷处的对称破缺和原子的复杂构型也给缺陷结构的精确测量带来障碍。比如，位错附近不可避免存在局域应变和晶体取向变化，但是用高分辨电子显微学表征晶体中的原子构型又要求晶带轴平行于电子束，否则分辨率会显著降低。这个矛盾一直是位错原子结构研究中的难题。近期，清华大学材料学院于荣教授团队与李千副教授团队在晶体取向成像方法和位错三维结构研究中取得进展，在钛酸锶自支撑薄膜中同时实现了深亚埃分辨的原子结构成像和亚纳米分辨的晶体取向成像，并揭示了钛酸锶中位错扭折方式与薄膜形变方式的相互关系。该研究基于清华大学于荣教授团队研发的自适应传播因子叠层成像技术（adaptive-propagator ptychography，简称APP）。APP技术是一种衍射成像方法，通过采集扫描汇聚束电子衍射和数值重构获得正带轴晶体的透射函数，具有深亚埃分辨、深度分辨、取向校正等优势，尤其适用于应变晶体和缺陷晶体（详见Sci. Adv. 8, eabn2275 (2022)）和https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/100344.htm）。在位错的原子分辨成像中，人们通常认为这样的位错是沿着电子束方向的直线。然而，应用多片层叠层成像的深度分辨能力，该研究发现大多数位错并不是直线，而是随着样品深度变化而横向位移，形成位错扭折。研究总结了多个位错芯的三维结构与晶体取向分布，揭示了位错扭折与薄膜形变方式的相互关系。当薄膜绕位错的滑移面法线方向扭转时，位错通过在薄膜上下表面的反向滑移而形成扭折；当薄膜绕位错的滑移面法线方向弯曲时，位错通过在薄膜上下表面的反向攀移而形成扭折。该研究还比较了叠层成像和iCOM技术（其简化版即常见的iDPC技术），结果显示叠层成像在横向和深度方向的分辨率都显著优于iCOM和iDPC。研究结果以“Sub-nanometer-scale
mapping of crystal orientation and depth-dependent structure of dislocation
cores in SrTiO3”为题发表在Nature Communications。清华大学材料学院博士生沙浩治、马云鹏、崔吉哲和曹国平博士为共同一作，于荣教授与李千副教授为共同通讯作者。感谢物质科学实验中心程志英高级工程师和超分辨科技（contact@superresolution.com.cn）的技术支持。该研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目的资助。https://www.nature.com/articles/s41467-023-35877-7图1、SrTiO3中位错的结构像和取向分布。a、叠层成像的重构相位。b、图a中相位图的衍射图，黄色虚线表示0.3
Å的信息极限。c、叠加相位图的晶体倾转分布，白色箭头表示[001]方向在平面内的投影，黄色箭头表示位错核的横向移动。d、晶体在[100]和[010]方向的倾转的分布。标尺长1
nm。图2、刃位错的三维可视化。a、刃位错的相位图；标尺长5
Å。b、图a中用A-B标记的分裂原子柱相位强度的深度变化。c、Sr、TiO和O原子柱的相位强度的深度分布。d、深度分别为2.4
nm、6.4
nm和12.0
nm的相位图；标尺长5
Å。e、图d中标记的原子柱的相位随样品深度的变化。f、位错扭折示意图。图3、比较多片层叠层成像和系列欠焦iCOM的深度分辨率（iCOM的简化形式为常见的iDPC）。a、多片层叠层成像和iCOM的深度切片；从上到下，切片深度分别为1
nm、4
nm和11
nm；标尺长5Å。b、沿着位错扭折的势函数和相位图的横截面；从左到右分别是用于生成模拟数据集的势函数、多片层叠层重构的相位和系列欠焦iCOM相位；可以看出，iCOM的模糊效应显著大于叠层成像。c、图b中所示的原子柱的相位随样品深度的变化。黑色垂直虚线表示沿原子柱的转折点的真实位置（与图b中白色虚线所示位置相同）；可以看出，iCOM在深度方向的模糊效应也大于叠层成像。图4、SrTiO3中多个位错的晶体倾转分布。a、包含三个位错的区域的相位图。b、对应图a中区域的晶体倾转分布，其上叠加了相位图；黄色箭头表示位错的横向移动方向。图a和b中的标尺为15
Å。c、晶体倾转与位错横向位移的相互关系；晶格矢量c由于倾斜矢量t变为c’，即c’ = c+t；黑色方块用于说明应变状态；左边为扭转，右边为弯曲；在两种形变模式中，薄膜上部和下部的应变都是反向的，对应位错向相反方向的横向移动。图b中左上角的位错和图2中的位错对应于扭转模式；图b的中心和右上方的位错对应于两种模式的混合。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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