原位TEM：顶刊案例分享

Trifunctional local-range order oxygen structure enhanced strength-ductility and fatigue resistance in large-scale metastable titanium alloy. 

Nat. Commun. 2025, 16, 7168.

图1 不同应力梯度下镁柱中的孪晶行为。a–g 标准750纳米宽度微柱在均匀应力场中的孪晶生长：a–d 孪晶随压入时间的演化过程；e 对应压缩曲线；f 最终孪晶的TEM放大图像；g 基面/棱柱面阶梯边界的HRTEM图像。h–o 250 nm顶部宽度的楔形截顶微柱中单个孪晶核的形核与初期生长（中等应力差条件下）：h–k 孪晶核随压入时间的演化过程；l 对应压缩曲线；m 最终孪晶的TEM放大图像；高分辨图像n基面/棱柱面阶梯边界和o孪晶尖端。g, n–o中的黄色虚线标识基面-棱柱面界面（基体基面平行于孪晶棱柱面），红色实线标识棱柱面-基面界面（基体棱柱面平行于孪晶基面）。l中的max. stress曲线按压缩载荷与微柱顶部横截面积的比值计算得出。l中的min. stress曲线是通过压缩载荷与微柱顶部横截面积的比值计算得出的。l中104 MPa的应力值表示孪晶形核点h处的应力差。

该研究工作通过原位透射电子显微镜（in-situ TEM），结合原子尺度模拟与拓扑分析，直接观测并验证了镁晶体中孪晶的形核与早期生长机制。实验发现，该孪晶形核通过一种棱柱面-基面转变引起的纯重排机制实现；同时，验证了一种晶体几何构型依赖的孪晶生长机制，即与塑性流动失稳相关的早期生长阶段，该过程可能由棱柱面-基面边界台阶的较慢移动主导，也可能由沿孪晶面的快速滑移-重排过程主导。

原位TEM在该研究中发挥了多维度关键作用：动态捕捉了孪晶从形核到扩展的过程，直接否定了传统”胚胎”理论(观测到最小为310 nm孪晶核)；结合选区电子衍射(SAED)和高角环形暗场像(HAADF-STEM)，在原子尺度揭示了棱柱面-基面转变的机制以及孪晶沿基面的非典型生长行为。定量表征不同应力状态下(均匀应力场/局部应力集中)孪晶尺寸的演变规律，并与有限元分析(FEA)结果相互验证，实现了力学加载条件与原子尺度结构演变的实时关联，为建立镁塑性变形的微观机制提供了直接实验证据。

A 2D Metallic KCu4S3 Anode for Fast-Charging Sodium-Ion Batteries. 

Adv. Energy Mater. 2024, 14, 2401221.

图2 首次循环过程中具有2D等高线的原位XRD；b 经过选择的不同充放电阶段的原位XRD图谱；c 原位TEM装置的示意图；d-i 嵌钠/脱钠反应过程中动态SAED图谱的实时观察。

图3 原位透射电子显微镜图像展示了KCu4S3在a-c第一次嵌钠和脱钠反应过程中的形态演变；d-f 第二次嵌钠和脱钠反应过程中的形态演变。

利用原位TEM表征来监测过程中KCu4S3在首次循环及后续循环过程中的的晶相演化及结构变化。KCu₄S₃在嵌钠/脱钠过程中的形态演化过程如图3的TEM所示，表明其显著的结构稳定性和循环过程中较小的体积变化。用原位TEM选区电子衍射方法研究了KCu₄S₃在充放电过程中的相变。初始嵌钠后，SAED方法发现了K₂S₃在(110)和(313)平面上的明显衍射环，以及Na2Cu4S3的衍射环。完全嵌钠后，KCu₄S₃的衍射环消失，取而代之的是Na₂Cu₂S₂的(001)(003)和(103)晶面的衍射环，以及Na₂S₅的(311)，(222)和(420)晶面衍射环，描述了KCu4S3的连续转化机理。在第一次脱钠后KCu4S3在(003)，(110)，(112)，(201)，(006）和(302)晶面的衍射环证实了反应的可逆性。

原位TEM的SAED模式在后续第二次循环过程中，再揭示了KCu₄S₃快速脱嵌钠离子的过程，显示了与各种反应产物一致的衍射环，最终证明了KCu₄S₃在充放电过程中的优异可逆性。

Low-Field-Driven Domain Wall Motion in Wurtzite Ferroelectrics.

 Adv. Mater. 2025, 2505988.

纤锌矿型氮化物铁电体已成为硅兼容非易失性存储技术的一个突破性平台。然而，其固有的涉及双原子位移的极化反转机制引入了复杂的畴动力学，阻碍了器件的可靠运行。本研究通过调控代表性纤锌矿铁电材料(Al_0.75Sc_0.25N)中的低场驱动畴壁运动，解决了这些挑战。

图4 原畴壁运动的原位TEM明场像。a 带有表面探针的原位DFTEM示意图；b (iDPC)-STEM图像显示的暗区（N极）和亮区（金属极），以及施加正电压前后的DFTEM图像。所有具有金属极性的亮区在偏压下均反转为暗的N极性；c选定区域（图1b中黄色框）畴壁运动随时间变化的等值线图；d 极化反转过程的时间分辨DFTEM图像。畴壁的横向运动首先开始，但其纵向运动延迟了9秒。

原位TEM测试表明，极化反转优先通过垂直于[0001]晶轴的畴壁横向传播进行，随后才是沿[0001]晶轴的纵向传播。如图所示，使用[0002]衍射束获得了具有混合极性的沉积态薄膜的DFTEM图像，并用iDPC)-STEM验证极性；此处，沿[0002]方向的金属极性畴呈现为亮衬度，而沿[0002]方向的N极性畴则呈现为暗衬度。施加+2 V电压足够时间后，所有具有金属极性的亮区均反转为暗的N极性。基于相应的DFTEM图像显示了畴壁运动路径随时间的变化。畴壁在两侧的横向运动（垂直于c轴[0001]方向）首先开始，并随时间延长至9秒时完成。然而，畴壁的纵向运动（沿c轴方向）直到9秒才启动，并随着时间增加至13秒时变得显著。至20秒时，大部分区域完成了从金属极性到N极性的转变。

这些结果揭示了一种畴壁动力学范式：在极化反转过程中，畴壁的横向运动先于纵向运动发生。该研究通过将基础科学发现（畴动力学新机制）与工程应用（晶圆级制备）深度结合，为发展高稳定性、低能耗的CMOS集成铁电器件奠定了理论和实践基础。