说明：本文华算科技主要介绍位错、层错与孪晶各自对应的晶体结构对象，伯格斯矢量、堆垛序列和取向关系怎样标记三类缺陷，以及HRTEM、STEM、弱束暗场、SAED、FFT和EBSD分别记录哪些信号。
位错、层错与孪晶对应什么结构？
理想晶体把一个晶胞按三维周期铺满空间，三类缺陷打断周期的方式各不相同。位错围绕一条线延伸，线附近带有位错芯和长程弹性应变场；层错占据一片晶面，局部原子层的排列次序偏离完整晶体；孪晶则构成有限体积的取向变体，外围由孪晶界围合。在显微截面上，线、面和取向区域各有不同的二维投影。
位错的几何核心由线方向ξ和伯格斯矢量b共同定义，刃型、螺型与混合型取决于二者夹角。层错的核心量是跨过缺陷面的位移和堆垛序列；在面心立方晶体中，完整位错分解出的Shockley部分位错常围出一条层错带。
层错面两侧仍可属于同一个母晶取向，其结构身份来自平移错排。截面像中的层错带宽度来自两条部分位错在像面上的投影间距。
图1. 变形镁中{10−12}孪晶的EBSD取向分布、三维椭球孪晶区域及相干孪晶界、基面—柱面界面等结构类型。DOI：10.1038/ncomms11577
孪晶是具有固定取向关系的晶体区域，孪晶界是该区域与母晶相接的界面。一个三维孪晶区域可由相干界、台阶界与半相干界共同包围，整片孪晶的体积与一条界线分属不同几何对象。区域取向与界面结构属于两组量，前者描述晶格方位，后者描述界面原子配位。界面法向变化还会改变二维截面中的轮廓形状。
怎样标记三类晶体缺陷？
线方向与伯格斯矢量怎样配对？
沿完整晶格绕一圈，首尾闭合；绕过位错线后，闭合差给出伯格斯矢量。伯格斯矢量记录位错携带的晶格位移，位错线方向记录线的空间方向。b⊥ξ对应纯刃型，b∥ξ对应纯螺型，其余夹角对应混合型。同一条位错在无节点、无反应的连续段上保持同一b，ξ可随线形弯曲。伯格斯回路的绕行方向决定b的符号。
图2. 直刃型位错模拟胞的滑移坐标、受力条件及1 K平衡后的位错芯和伯格斯矢量。DOI：10.3390/app15052666
混合型位错可沿局部线方向ξ分解为刃分量与螺分量，两项的矢量和等于原伯格斯矢量；线形变化只改变分量比例。
堆垛序列与取向关系各自记录什么？
面心立方晶体的密排层按ABCABC循环。抽掉一层、插入一层或让部分位错扫过后，局部次序会变成ABCACABC一类错排。层错由异常堆垛片段及跨面位移标记，边缘常接a/6型Shockley部分位错。
在扩展位错中，部分位错位于层错边缘，层错则是两条线之间的面状区域，二者几何维数不同。层错能控制两条部分位错的平衡间距。
图3. 面心立方纳米晶从ABC堆垛、两条层错到三层孪晶形核的HRTEM原子序列与结构模型。DOI：10.1038/s41467-017-02393-4
孪晶区域内的多个原子层共同组成另一套晶格方位。FCC相干孪晶常用Σ3、绕轴旋转60°标记；HCP拉伸孪晶则用孪晶面、剪切方向及轴—角关系标记。固定取向关系是孪晶的晶体学身份；单个层错片段只改变局部堆垛，跨多个原子层的镜像序列才构成孪晶区域。孪晶厚度由连续镜像层数和晶面间距共同决定。
HRTEM、STEM和弱束暗场分别记录什么？
满足晶带轴、样品厚度与像差条件时，HRTEM晶格条纹或原子分辨STEM原子柱可读出局部周期。位错芯对应条纹终止、额外半晶面或晶格弯曲；层错对应连续晶面中的序列跳变；孪晶区域则形成跨界面的对称晶格或另一套固定方位。
HAADF-STEM强度还受原子序数、厚度和电子束沿原子列传播的影响。原子柱强度应在同一厚度与成像条件内比较。
明场与弱束暗场利用衍射衬度放大应变场。位错常呈窄线，层错常呈带状条纹，薄片孪晶常呈平行层片；衬度形貌随衍射矢量g改变。g·b=0时某一位错衬度可显著减弱，完全消光还受位错线方向和弹性项约束。层错衬度由g与跨面位移的相位差控制。改变g后，线状衬度的保留与消失构成一组矢量响应。
图4. fcc晶粒内弱束明暗场位错衬度、刃位错额外半晶面以及HAADF-STEM中的Shockley部分位错、层错与孪晶。DOI：10.1038/s41563-024-01871-7
原子像记录投影后的柱位置，弱束像记录选定衍射条件下的应变衬度，两者读取对象不同。额外半晶面和伯格斯回路锁定位错芯，连续数层的堆垛次序锁定层错或孪晶。单层错排与多层孪晶的分界取决于序列长度及取向对称。
一条亮线或一片暗带只记录成像衬度，结构类型由连续原子层和取向对称共同确定。连续原子层数由标尺与晶面间距换算。
SAED、FFT和EBSD分别记录什么？
SAED和局部FFT把实空间周期换成倒易空间斑点。孪晶常产生两套满足固定轴—角关系的反射，某些晶带轴下两套斑点会重合；层错破坏沿法向的有限周期，常形成穿过反射点的漫散条纹。单根位错主要带来局部晶格弯曲和相位扰动，其衍射信号不构成完整的第二套晶格反射。条纹沿缺陷面法向对应的倒易方向延伸。
EBSD逐点索引晶格方位，孪晶区域在取向图中形成成片色区，母晶—孪晶界面满足指定错配轴和错配角。孪晶读取的是取向变体及界面网络；原子层厚度的孤立层错低于常规EBSD的相互作用体积。
KAM、LAM和晶格曲率给出取向梯度或GND密度，单位点阵中的单根位错不在该空间分辨尺度内。步长和花样质量共同限定取向梯度的最小采样尺度。
图5. 纯钛{10−12}拉伸孪晶的EBSD取向图、KAM和LAM分布及孪晶—母晶界面两侧GND与取向差剖面。DOI：10.3390/cryst8010001
三类倒易空间特征可按对象分开：第二套定向反射指向孪晶取向变体，沿特定倒易方向延伸的条纹对应面状堆垛无序，依赖g的线状衍射衬度对应位错应变场。取向图把孪晶映射成区域，位错密度则由空间平均后的取向梯度反演。三种信号分别对应晶格取向集合、面状堆垛周期和线缺陷应变场。
哪些因素改变缺陷表征信号？
堆垛序列对应具体晶体。FCC密排层是ABC循环，层错常带来局部hcp样片段；HCP基面采用ABAB循环，孪生还包含剪切与原子重排；BCC的滑移矢量、孪晶系和部分位错类型另有组合。ABC序列只属于特定密排晶体语境，晶体结构限定允许的b、滑移面和孪晶关系。晶格常数与层错能还会改变原子间距和缺陷宽度。
电子束方向把三维缺陷投影到二维像面。位错线沿束向时长度被压缩，层错面沿束向时变成窄带，某些孪晶观察方向会让母晶与孪晶反射重合。
晶带轴决定原子柱和反射斑点是否分开，衍射矢量g决定哪些位错与层错获得强衬度；厚度、离焦和探测器收集范围还会改变线宽与亮暗。同一区域换用另一反射后，获得衬度的线段会重新分配。
图6. GaN薄膜在g=(002)近双束条件下的CBED选束、BF-STEM立体像对及三维位错投影。DOI：10.1038/s41598-017-07537-6
空间分辨率把结构信号分配到不同尺度。原子分辨像读取位错芯与堆垛次序，选区衍射读取纳米至微米区域的周期集合，EBSD读取更大区域的方位分布。
位错对应线、b和应变场，层错对应面、跨面位移和异常序列，孪晶对应取向区域、固定取向关系及其界面网络。信号采样体积与缺陷尺寸的数量级共同决定空间平均程度。
