2.4 位錯/應變/空洞耦合能量轉換失效表征與加載技術

X射線衍射技術（XRD）可獲得高靈敏度的應變測量效果，卻不能獲得納米尺度空間高分辨率的應變場，原子力電鏡（AFM）與掃描隧道電鏡（STM）顯微術可獲得納米尺度高分辨率應變場，但視場限于納米量級，無法觀測更大視場微米尺度應變。通過調整衍射、干涉束，選擇明、暗場模式等技術細節，可實現不同微尺度成像模式下的透射電鏡成像。但目前的微尺度表征技術，在高應變靈敏度、高分辨率及大視場技術方面需要突破。基于幾何位相分析方法，有學者提出了中心暗場透射電鏡（Central Dark Field Transmission Electron Microscope, CDFTEM）新技術，如圖2-11所示，在中心暗場條件下，采用無應變完整晶體區的衍射束參考束，與應變區的衍射束干涉，獲得被莫爾條紋調制的暗場全息圖，再利用幾何位相分析法計算出應變區的應變場，得到尺度為200nm的區域大視場應變分布，并具有令人滿意的高空間分辨率和應變靈敏度。利用CDFTEM技術觀察位錯/空洞具有獨特優點，可反映位錯起源、孔洞擴展及相互作用，直接觀察位錯、空洞貫通與晶格條紋，收集分析從樣品局部微區發射的各種信息，如透射束與參考束干涉的全息條紋，不僅可獲得位錯運動、空洞排列信息，還可通過衍射環直徑和晶格條紋間距等來獲得位錯結構與空洞、微晶形狀，因而該技術在位錯/應變/空洞微尺度耦合表征中前景廣闊。

圖2-11 CDFTEM技術原理示意圖

我們對電池電極材料微結構進行了系統有序的實驗研究，發現CDFTEM技術并不完善，尚有諸多缺陷，仍待發展、修正與完善，才能成為微尺度表征的有力手段。例如，用CDFTEM拍攝應變場在暗場模式下的應變區的中心暗場像強度不夠，如何在雙束條件下保證拍攝時應變區的中心暗場像強度是需要解決的問題。樣品厚度會帶來重疊效應，干擾界面附近的應變測量效果，樣品晶格或格柵柵距與參考柵無變形晶格的有對應關系，界面附近應變區將很難解釋。CDFTEM記錄時間很長，雖然圖像信噪比好，但樣品漂移和傾動影響圖像質量。CDFTEM受加載空間所限，對樣品加載就會對參考柵加載，因而CDFTEM很難用于實時加載測量中（實時加載是保證實驗質量和可靠性的重要條件），實時加載變形測量如何解決？技術困難很大。晶面的衍射方向差別很大，要將不同的某一個晶面衍射改變方向很難實施，微區應變場單向測量的強度和可靠性不穩定。這些問題都急待解決，我們建立了發展、修正與完善CDFTEM微尺度表征技術的加載實驗平臺，如圖2-12所示，該平臺為CDFTEM技術定量表征微尺度位錯/應變/空洞能量轉換演化過程，提供了實時加載的技術支撐。

圖2-12 實時加載的電池能量轉換加載實驗平臺

a）電池能量轉換數據采集系統 b）電池臺架加載仿真平臺 c）非平衡狀態溫升加載系統