说明：本文聚焦 晶格畸变 晶格应变 ，系统解析 二者定义、量化方法及表征技术 ， 区分不同类型的 晶格畸变与晶格应变 的特征。 晶格畸变 指 多种不同尺寸、弹性模量的元素原子在晶格中随机分布时，原子偏离理想晶格位置，形成的非均匀弹性应变场或原子排布偏差现象 。 晶格畸变的基本概念示意图。DOI: 10.1002/adma.202305453 为精准描述晶格畸变程度，研究中发展了多种量化模型与参数，核心包括以下几类。 均方根原子位移 （u rms ）反映原子偏移程度，公式为： 参数含义： N T 为组元总数，N为晶格位点总数， 为m型原子在i位点p方向的错配诱导位移； 该公式直接反映原子偏离理想晶格位置的程度 ，与错配体积参数呈线性相关（u rms =k×δb，k为成分依赖系数）。 随机固溶体与含CSRO的固溶体在晶格畸变程度上的显著差异。DOI: 10.1002/adma.202305453 原子尺寸差异参数（δ） 反映晶格畸变的程度，公式为： 参数含义： n为组元数，c i 、c j 为原子百分比，r i 、r j 为原子半径； 该公式为最常用的经验判据， δ越大表明晶格畸变越严重 ，一般认为δ>8%时晶格易坍塌为金属玻璃。 原子键长与位移的畸变度量标准。DOI: 10.1002/adma.202305453 均方根应变（ε RMS ） 能够评估晶格稳定性，公式为： 参数含义： c i 为组元浓度，ε i 为第i种元素的弹性应变； 该公式表征应变场的波动程度 ，与晶格弹性能积累直接相关，是评估晶格稳定性的核心指标。 基于原子对分布函数(PDF)的晶格畸变实验证据。 DOI: 10.1002/adma.202305453 晶格畸变主要有四种核心类型，分类依据是畸变的成因、结构表现及影响范围。 因不同原子的半径差异，在形成合金或固溶体时， 溶质原子与溶剂原子的尺寸不匹配 导致周围晶格发生拉伸或挤压，形成的 局部性、自发性 畸变 。畸变范围局限于错配原子附近，是最普遍的晶格畸变类型。 例如FeCoNiCrMn 合金包含 Fe、Co、Ni、Cr、Mn五种元素，Mn 原子半径显著大于其他元素，作为 “大原子” 嵌入由其他元素构成的晶格中，挤压周围原子；同时 Cr 原子略大，进一步加剧局部晶格扭曲。 原子错配体积与畸变位移场的量化模型。 DOI: 10.1002/adma.202305453 外部机械应力（拉应力、压应力、剪切应力） 作用于材料时，晶格原子因受力偏离理想位置，形成的可逆或不可逆畸变。应力较小时为 弹性畸变 （应力移除后恢复），超过弹性极限则产生 塑性畸变 （晶格结构永久改变）。 例如对低碳钢进行冷轧加工（室温下施加压应力），钢板厚度从 10 mm 减至 5 mm，外力迫使晶格原子发生滑移，位错密度显著增加，原子排列偏离理想晶格。 CoCrFeNi中体积应变与剪切应变的分布统计。 DOI: 10.1002/adma.202305453 由 晶体内部固有缺陷（空位、间隙原子、位错、晶界等） 引发的晶格畸变，缺陷周围的原子因失去理想配位环境，发生位移以平衡能量，形成局部畸变区域。 例如Ni 金属在核反应堆中受到中子辐照，高能中子撞击晶格原子，导致原子脱离原始位置，形成大量空位与间隙原子（点缺陷），同时产生位错环等线缺陷。 间隙团簇三维迁移模式与辐照抗性机制，说明畸变晶格改变缺陷迁移维度，抑制空位过饱和。 DOI: 10.1002/adma.202305453 因 材料化学组成改变（如合金化、掺杂） 或 发生相变（如同素异构转变、马氏体相变） ，导致晶格类型或原子排列方式重构，进而引发的晶格畸变。畸变通常伴随晶格参数的显著变化， 多为不可逆 过程。 例如Ti-6Al-4V 合金在淬火过程中，高温下的 β 相（BCC 结构）转变为 α’ 马氏体相（HCP 结构），相变过程中原子排列方式重构。
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晶格应变 指 材料晶格因外部作用力、化学组成变化或界面相互作用，导致原子键长、键角偏离理想晶体结构的原子尺度形变现象 。 其 核心特征 可概括为三点：1. 本质是原子排列的几何重构 ，表现为晶格拉伸、压缩或剪切形变；2. 直接调控材料电子结构 ，进而影响表面吸附、电荷转移等关键过程；3.与传统晶格畸变不同，晶格应变 更强调 “可控性” 与 “定向调控” ，是应变工程的核心调控对象。 晶格应变对催化活性的调控机制。DOI: 10.1002/adma.202305453
其中， 晶格应变的基础应变量化公式 为 ，ε为应变值（无量纲），Δl为形变后键长与理想键长的差值，l 0 为理想晶体中的原子键长。
正值表示拉伸应变（键长增长），负值表示压缩应变（键长缩短），绝对值越大应变程度越强。
根据应变产生的方式与来源，可分为两大核心类型，分别为直接诱导型应变和基底诱导型应变。 直接诱导型应变 通过物理或化学手段直接对催化剂本体施加作用，产生晶格形变，应变可控性强。 通过 外部机械力、压力差 等物理手段直接作用于材料，使晶格发生定向形变产生的应变。应变的方向、强度可通过物理条件精准调控，移除外力后部分应变可恢复（弹性应变范围内）。 例如将单层石墨烯转移至带微孔的 SiO₂基底上，利用原子力显微镜（AFM）探针在微孔中心施加垂直向下的均匀负载，墨烯受探针压力发生鼓泡形变，微孔区域的石墨烯晶格被拉伸，形成可控的面内拉伸应变。 特点： 应变方向与强度可通过外力精准调节，但易受材料力学性能限制，大面积均匀应变实现难度大。 AFM探针纳米压痕（c）实现石墨烯定点变形；气压差驱动MoS₂薄膜鼓包（d）产生双轴应变。DOI: 10.1039/d2mh01171a 通过 化学手段（如原子掺杂、缺陷引入、脱合金化等） 改变材料化学组成或内部结构，导致原子键长、配位数变化，进而引发的晶格应变。应变与材料本身形成一体化结构，稳定性强，通常不可逆转。 例如将单层 MoS₂暴露于 N₂等离子体中，通过等离子体处理使 N 原子取代 MoS₂中的部分 S 原子，导致 MoS₂晶格收缩，产生均匀的压缩应变。 特点： 应变与材料结构一体化，稳定性强，适用于规模化制备，但应变强度调控精度依赖掺杂比例与工艺参数。 通过C⁺离子辐照（a）在PtPb纳米片形成拉伸外层与压缩内层；通过AuNi合金化（b）引发Pt壳层压缩应变。 DOI: 10.1039/d2mh01171a 基底诱导型应变 利用 催化剂与基底的界面相互作用 传递应变，是多相催化剂的主要应变来源。 直接界面应变是 指 两种材料通过异质外延生长、沉积等方式直接接触，因界面处晶格常数、热膨胀系数等差异，导致其中一种材料（通常为薄膜层）产生的应变 。应变由界面直接传递，无需外部作用力，应变类型与强度由两种材料的固有特性决定。 例如通过高温化学沉积法在 FTO（氟掺杂氧化锡）基底上生长 BiVO₄薄膜，形成 BiVO₄/FTO 异质结构，外延生长过程中 BiVO₄薄膜为适配 FTO 基底的晶格结构，发生晶格收缩，在薄膜内部产生压缩应变。 特点： 应变覆盖面积大，与催化剂制备工艺兼容，但应变类型与强度由基底特性决定，后续调节难度大。 基底诱导直接应变的四种典型途径。 DOI: 10.1039/d2mh01171a 间接传递应变是指 材料与基底通过界面结合（如物理吸附、化学键合），外部作用力先作用于基底，再通过界面相互作用间接传递至材料表面，使材料产生的应变 。应变的传递依赖基底与材料的界面附着力，应变类型与基底形变方向相反。 例如将单层 MoS₂薄膜转移至预拉伸 100% 的PDMS弹性基底上，待 MoS₂与 PDMS 充分结合后，缓慢释放 PDMS 的预拉伸应力，PDMS 释放应力后收缩，带动表面的 MoS₂薄膜同步收缩，MoS₂晶格被压缩，形成均匀的压缩应变。 特点： 应变可逆性强，可动态调节，但需保证催化剂与基底的强界面结合，避免应变释放。 基底诱导间接应变的力学传递机制。 DOI: 10.1039/d2mh01171a 晶格畸变与晶格应变既存在本质关联，又在定义、侧重点、应用场景上有明确区分，核心关系可概括为 “ 应变是可控的畸变，畸变是广义的结构偏离 ”。 两者的物理本质一致， 都是晶体中原子偏离理想晶格位置的原子尺度结构变化 ，具体表现为 根源相同、 结构影响相通、 量化指标互通 。 晶格畸变的起源。DOI: 10.1002/adma.202501209 根源相同： 均由原子尺寸差异、外力作用、化学组成变化或界面相互作用引发，表现为原子键长、键角的改变或原子位移； 结构影响相通： 都会导致晶格内部产生应力场，调控材料电子结构（如 d 带中心、能带间隙），进而影响力学、催化、导电等宏观性能； 量化指标互通： 均可用原子位移、晶格参数变化、均方根应变等参数描述，应变的量化公式（ε=Δl/l 0 ）也可用于表征畸变的程度。
晶格畸变与晶格应变的关键区别在于 定义、侧重点与应用场景 三方面。
畸变可转化为应变： 部分自发晶格畸变，通过定向设计可转化为可控的晶格应变，实现性能优化。 应变可能引发附加畸变： 当应变超过材料弹性极限或与缺陷、掺杂协同作用时，会产生额外的晶格畸变，需平衡两者比例以避免晶格坍塌。 边界模糊的场景： 在二维材料中， 应变与畸变常伴随出现 ，如 MoS₂的拉伸应变可能同时引发晶格畸变，此时两者共同作用于电子结构与活性位点。 MnO x 晶格畸变结构表征。DOI：10.1002/anie.202515012 分析晶格畸变与晶格应变的核心逻辑是 “先明确对象属性→选对表征技术→量化关键参数→关联性能机制”。 二者虽同源但分析侧重点不同： 畸变侧重 “无序结构的表征与强度评估”，应变侧重 “定向形变的精准量化与调控效果” 。 首先需要避免附加干扰。 畸变分析中样品需避免外力损伤，减少制备过程（如切割、研磨）引入的额外应变；应变分析中需控制调控条件（如外力大小、掺杂比例、基底参数）的一致性，确保应变可重复。 其次需要确认样品状态 ，通过 XRD 初步判断晶体结构，排除多相干扰（多相共存可能导致畸变 / 应变分布不均）。 DOI：10.1021/acsnano.5c16095 结构表征能够直观观测原子排列与形变，可采用 球差校正 HRTEM/AC-HRTEM、HAADF-STEM、4D-STEM、XRD、原子力显微镜（AFM） 等技术。 例如，研究人员分析 PtPdFeCoNiMo 高熵金属烯（HEMs）的晶格畸变特征，明确其对氧还原反应（ORR）活性的调控机制，采用了球差校正 HRTEM观测原子级晶格畸变，并基于 HAADF-STEM 图像，捕捉高熵效应导致的微应变。 HAADF-STEM（a,b）直接观测Pd纳米颗粒3.2%拉伸应变。 DOI: 10.1039/d2mh01171a 电子结构表征关联形变与性能机制，可采用 X 射线吸收光谱（XAS）、拉曼光谱、X 射线光电子能谱（XPS）、密度泛函理论（DFT） 等方法。 例如，研究人员通过协同 Jahn-Teller 效应调控 MnO₂/ 石墨烯超晶格的晶格应变，缓解 Zn²⁺插层应力，提升循环稳定性，需要使用拉曼光谱证明 “面内拉伸 + 层间压缩” 的双轴应变存在，并关联其与结构稳定性的关系。 拉曼光谱通过E ₂g 1 和A₁g峰红移定量计算MoS₂应变达1.35%。 DOI: 10.1039/d2mh01171a 优先选择技术： AC-HRTEM（局部畸变观测）+ XRD（宏观畸变统计）+ EXAFS（原子配位数 / 键长波动）。 操作要点： 1.用 XRD 判断是否存在晶格畸变（峰宽化且无明显位移）；2.用 AC-HRTEM 定位畸变区域（如原子错位、局部晶格扭曲）；3.计算u rms 或δ，量化畸变程度；4.关联畸变与性能（如畸变程度对强度、抗辐照性的影响）。 多尺度应变表征技术联用方案。 DOI: 10.1039/d2mh01171a
2.晶格应变分析：聚焦 “定向调控的精准性与效果”
优先选择技术： 4D-STEM（应变场精准测绘）+ 拉曼光谱（快速定量）+ DFT 计算（机制验证）。 实操要点： 1.设计对照实验（如无应变样品 vs 不同应变强度样品）；2.用拉曼光谱快速定量应变（如 MoS₂的 E¹₂g 峰红移对应拉伸应变）；3.用 4D-STEM 绘制应变分布图，确认应变均匀性；4.结合 XPS/XAS 与性能测试，验证应变对电子结构和目标性能的调控作用。
本文源自微信公众号：材料有干货
原文标题：《晶格畸变 VS 晶格应变》
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