说明：本文华算科技介绍了晶格畸变和晶格应变的概念、产生机制、引入方式、表征方法。文中详细阐述了掺杂、辐照、异质结构失配等引入方式，以及HR-TEM、XRD、拉曼光谱、XAFS等表征手段，帮助读者全面理解晶格畸变与应变在材料科学中的重要性。
什么是晶格畸变/晶格应变
晶格畸变是指晶体内部原子或离子由于外部扰动或内禀缺陷而偏离其理想晶格位置，导致晶格局域结构对称性破缺的现象。
其主要特征在于晶格中某些局域原子间距或键角发生变化，导致晶体呈现局域非均匀性与各向异性，进而可能引发物理性质的各向异性演化。晶格畸变通常以非弹性形式表现，具有不可逆性与非均匀性（图1）。
图1. 晶格畸变示意图。DOI: 10.1002/adma.202305453。
相比之下，晶格应变则是指晶体在外力作用下整体或局部原子排列发生连续变形，且该变形在弹性极限内具有可逆性。其数学描述可由应变张量表征，反映晶格参数随空间坐标的梯度变化。
晶格应变保持原子间拓扑关系不变，表现为均匀或非均匀的连续位移场，且通常遵循胡克定律（图2）。
图2. 核壳结构催化剂的应变。DOI: 10.1002/aenm.202102261。
晶格畸变、晶格应变如何产生的？
晶格畸变的产生机制依赖于晶体结构的缺陷类型与微观能量分布。在实际材料中，点缺陷（如空位、间隙原子、替位原子）、线缺陷（如位错）、面缺陷（如孪晶面、晶界）均可能引发局域晶格畸变。
点缺陷的存在可造成局部体积膨胀或压缩，改变邻近原子的最小势能位置，形成畸变场。尤其在异质结构中，不同原子尺寸或电子结构的替代引发的晶格畸变尤为显著。此外，电荷不匹配、电子轨道杂化及局域自旋极化亦可作为畸变源，影响晶格构型（图3）。
图3. 缺陷引起的晶格畸变。DOI: 10.1021/nl3022434。
相较而言，晶格应变通常由外部宏观加载条件所激发，如机械加载、热应力、电场或磁场作用等。其生成机制遵循连续介质力学中的应变场理论。在线性弹性范围内，应变与应力之间存在线性映射关系。
对于各向异性晶体而言，应变的产生机制还需考虑其晶格对称性与弹性常数张量的协同作用。应变也可因晶格不匹配而产生，如在外延薄膜中，基底与膜层之间晶格常数差异将不可避免地产生界面应变（图4）。
图4. 不同应变的形成机制。DOI: 10.1002/aenm.202102261。
如何引入晶格畸变、晶格应变？
掺杂与元素替代
掺杂是调控晶体结构局域构型的重要手段。其机制基于杂质原子的离子半径、电负性、价态等物理化学参数与母体原子的差异。当替代原子进入晶格位点时，若其离子半径显著不同，将导致周围配位原子的位置发生偏移，破坏理想晶格排列，形成局域畸变场。
此外，掺杂元素的价态与主晶原子的电子构型若不匹配，还可能诱导额外的电荷补偿机制（如氧空位形成或价态调节），进而引发电子分布重构和键长重调，增强局域非中心对称性（图5）。
图5. 离子诱导晶格畸变。DOI: 10.1021/acsnano.2c04513。
高能粒子辐照与离子注入
在材料受高能粒子照射或离子束注入过程中，能量传递引发晶体内原子位置的剧烈扰动，形成大量点缺陷（如空位、间隙原子）及其团簇。此类缺陷会打破晶体局部区域的原子排列规律，引起严重的结构重排，从而形成强烈的晶格畸变。
辐照诱导的畸变不仅限于几何结构的重构，还可能引起配位数变化、局域体积变化及非配对电子分布的扰动。
因此，该方式可在保持材料总体结构稳定的前提下，在原子尺度上引入结构不均匀性，并激发局部电子结构或磁性变化，适用于辐照耐久性研究与辐照诱导相变调控（图6）。
图6. 离子辐照下ZnO晶体电子和原子系统的能量沉积及最终缺陷结构。DOI: 10.1002/adfm.202405885。
异质结构中的晶格失配引应变
在外延生长过程中，当薄膜材料的晶格常数与基底存在一定程度的失配，其界面将不可避免地产生应变以协调晶格过渡。这种由于晶格常数差异所导致的弹性形变属于经典的几何约束应变。
随着厚度增加，应变能积累并可能触发位错形成或界面滑移，导致部分应变释放。该方法被广泛用于调控半导体能带结构、氧化物相稳定性及铁电性，是应变工程的基础原理之一（图7）。
图7. 相干界面的异质外延PAE薄膜弹性缓解晶格失配应变。DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04737。
热膨胀不匹配与温度诱导应变
在多相复合材料或异质结构中，由于各组分材料的热膨胀系数存在差异，温度变化将导致热应力的生成。在升温或冷却过程中，材料各部分的体积变化不同步，从而产生残余应变场。
这类应变具有空间分布性和非对称性，并可引发界面翘曲、裂纹或相变等结构行为。在应力控制良好的条件下，热应变可作为调控晶格结构的有效手段，广泛应用于陶瓷热障涂层、微电子封装结构及热驱动相变材料的研究中（图8）。
图8. 不同温度下的材料耐久性。DOI: 10.1038/s41467-025-55856-4。
如何表征晶格畸变、晶格应变？
高分辨透射电子显微镜（HR-TEM / HR-STEM）
透射电子显微镜技术依赖于高能电子束与样品中原子的强散射作用，在原子分辨尺度下揭示晶体结构的排列特征。当晶体结构发生畸变时，原子列之间的间距、排列顺序与局域对称性将发生变化，表现为晶格图像的周期性失配或畸形重构。
在HR-STEM模式下，结合球差校正与高角度散射（HAADF）探测技术，可获得Z-对比图像，实现不同原子类型的直接识别，并观测由掺杂、应力或缺陷诱导的微观畸变场（图9）。
图9. 球差电镜原子相和能量损失谱。DOI：10.1038/s41467-023-37679-3。
X射线衍射（XRD）
XRD技术基于布拉格定律，通过分析衍射峰的位置、强度与形貌来反映晶体内部的周期性结构参数。当晶格发生应变时，其晶面间距变化将导致衍射角的偏移。而非均匀应变引起晶体畴间应力梯度，则表现为峰展宽现象。
XRD在应变分析中可进一步扩展为同步辐射XRD、面内XRD或衍射线扫描成像，实现对三维应变分布的高精度映射（图10）。
图10. 晶格应变的XRD衍射峰演化。DOI: 10.1021/acsnano.2c04513。
拉曼光谱（Raman）
拉曼散射源于入射光与晶格声子之间的非弹性相互作用，其谱线位置对应于特定晶格振动模式。在晶体发生应变或畸变时，晶格的势能面与对称性将发生变化，从而引起声子能级偏移与退简并，最终表现为拉曼峰的位移、展宽或强度变化。
拉曼光谱对微小应变响应高度敏感，且具备高空间分辨率，尤其适用于二维材料、纳米结构与薄膜系统中非接触式应变测量。在晶格畸变方面，拉曼散射的对称性分析可用于识别结构相变及局部对称性破缺，是研究结构畸变演化的重要手段（图11）。
图11. 晶格畸变引起的拉曼峰移动、对称性退简并的声子模式变化。DOI: 10.1038/s41524-020-00395-3。
X射线吸收精细结构谱（XAFS/EXAFS）
XAFS技术通过分析吸收边近邻原子对光电子的散射效应，揭示局域结构参数的变化，尤其适用于晶体中局部畸变的原子尺度解析。延伸边吸收精细结构（EXAFS）部分可提供配位原子的平均键长、配位数、热振动幅度等信息。
当晶格结构发生畸变时，这些参数将显著偏离其理想值，表现为谱线振幅的变化或频率成分的重构。XAFS具有元素选择性与局域探测能力，在复杂化合物与无序材料中尤为重要，是探测畸变状态及化学环境变化的核心技术之一（图12）。
图12. X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱的傅里叶变换图及相关拟合结果。DOI: 10.1038/s41467-024-53763-8。
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