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研究背景

五氧化二釩（V₂O₅）是一種重要的功能材料，廣泛應(yīng)用于催化、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，尤其在硫酸生產(chǎn)中的催化作用具有重要意義。與傳統(tǒng)的催化材料相比，V₂O₅由于其優(yōu)異的催化性能和成本效益，成為了重要的研究對(duì)象。然而，V₂O₅的性能在很大程度上依賴于其微觀結(jié)構(gòu)，特別是晶粒的分布、晶界的取向以及其中的缺陷結(jié)構(gòu)。因此，如何在納米尺度上精確地表征這些微觀結(jié)構(gòu)，仍然是提高V₂O₅及類似材料性能的重大挑戰(zhàn)。

成果簡介

為了解決這一問題，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Andreas Apseros, Valerio Scagnoli，廣島大學(xué)Claire Donnelly等人合作在Nature期刊上發(fā)表了題為“X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects”的最新論文。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并采用了X射線線性二向色性取向?qū)游觯╔L-DOT）技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)V₂O₅多晶樣品在納米尺度上的三維成分和微觀結(jié)構(gòu)映射。通過利用XL-DOT，該團(tuán)隊(duì)能夠在非破壞性條件下，獲得關(guān)于V₂O₅晶粒、晶界、拓?fù)淙毕莸鹊脑敿?xì)信息，空間分辨率達(dá)73納米。這一技術(shù)突破，顯著提高了對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的表征能力，尤其是在高溫和操作條件下的研究。

該研究不僅實(shí)現(xiàn)了晶粒內(nèi)外結(jié)構(gòu)的三維表征，還揭示了由于體積晶體缺陷的存在，拓?fù)淙毕莸膭?dòng)態(tài)變化過程。這一發(fā)現(xiàn)為研究人員提供了新的思路，幫助他們理解V₂O₅在催化反應(yīng)中的微觀機(jī)制，并為后續(xù)的材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。XL-DOT技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了V₂O₅等多晶材料的性能，還為其他功能材料的研究開辟了新的技術(shù)路徑。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次使用X射線線性二向色性取向?qū)游觯╔L-DOT）技術(shù)，對(duì)多晶和非晶材料在三維空間內(nèi)進(jìn)行了納米尺度的晶粒、晶界和拓?fù)淙毕莸谋碚?，獲得了高分辨率的三維組成和微觀結(jié)構(gòu)映射。

（2）實(shí)驗(yàn)通過獲取同步輻射X射線相干成像投影，結(jié)合定制的重建算法，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)V₂O₅樣品的晶體取向、晶粒劃分及缺陷的精確表征，空間分辨率達(dá)到73納米。通過該方法，能夠觀察到晶粒內(nèi)外的微觀結(jié)構(gòu)特征，包括扭轉(zhuǎn)、傾斜和孿晶邊界，揭示了由體積晶體缺陷引發(fā)的拓?fù)淙毕莸漠a(chǎn)生和消失。

（3）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步通過對(duì)V₂O₅樣品進(jìn)行非破壞性、定量化的三維表征，揭示了樣品在操作條件下的微觀結(jié)構(gòu)和晶體缺陷的動(dòng)態(tài)行為，推動(dòng)了材料在能源、機(jī)械和量子材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

圖文解讀

圖1：XL-DOT實(shí)驗(yàn)裝置

圖2：使用XL-DOT進(jìn)行材料組成和微觀結(jié)構(gòu)的三維納米尺度映射

圖3：使用XL-DOT檢測的晶體缺陷

圖4：晶體體積和拓?fù)淙毕?/span>

結(jié)論展望

本文通過結(jié)合X射線線性二向色性顯微成像（XL-DOT）與X射線相襯顯微斷層掃描（PXCT），開創(chuàng)了納米尺度下材料微觀結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究新方法。該方法能夠在不同外部刺激下（如壓力、溫度變化等）實(shí)時(shí)觀察和映射材料的微結(jié)構(gòu)演變，揭示微結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響。特別地，利用同調(diào)X射線的優(yōu)勢，XL-DOT在未來有望實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率，甚至達(dá)到10納米，進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等微觀缺陷的研究。

此外，本文的研究為操控材料微觀結(jié)構(gòu)、優(yōu)化未來器件提供了重要的實(shí)驗(yàn)手段。通過更精確的三維成像技術(shù)，研究者可以深入理解材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，指導(dǎo)新型材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，特別是在能源、電子器件等社會(huì)需求領(lǐng)域。隨著同步輻射源的第四代技術(shù)進(jìn)步，未來的操作性成像將能夠?qū)崿F(xiàn)更快的測量速度和更高的分辨率，為材料科學(xué)開辟了新的研究方向和應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)信息

Apseros, A., Scagnoli, V., Holler, M. et al. X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects. Nature 636, 354–360 (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/12/19/a18a501937/

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