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文章题目：
In-situ transmission electron microscopy shedding light on the mechanical properties of nanoscale materials
第一作者：刘春萌
通讯作者：张家奇, 程少博
通讯单位：郑州大学
DOI：10.20517/microstructures.2023.109
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图片摘要
背景介绍/ 01
纳米材料，由于具有独特的物理和化学性质，在纳米尺度连接线和有源元件等方面展现出巨大潜力，是未来纳米科学和先进器件制造的关键构建单元。在实际应用中，纳米材料常因外部环境变化而发生形变或受到额外应力加载，导致器件性能降低、寿命缩短甚至失效。因此，系统了解纳米材料的力学性能和变形行为并构建其与结构的对应关系，不仅是器件结构优化与力学设计的基础，而且是调控器件性能、提升可靠性与稳定性的核心问题。此外，纳米材料的超小尺寸和超大比表面积使其具有表面效应和量子限域效应，从而表现出异于宏观块材的新奇力学特性和变形行为。这些新奇物理特性的发现进一步激发了基础研究领域对于纳米力学研究的迫切需要。
原位透射电子显微镜技术，因其具有超高空间分辨率与能量分辨率，在纳米材料的原位操纵、原子尺度观测及揭示行为机理等方面展现了极大优越性，成为纳米力学研究的不二选择。
本文系统介绍了利用原位透射电子显微技术探究纳米尺度材料力学性能的研究进展，主要包括：不同原位力学测量技术的基本原理及特点、所测纳米材料的力学性能及变形行为、影响力学性能的主要因素。最后，本综述提出原位透射电镜技术目前面临的挑战，并展望其在未来纳米力学中的发展与应用。
文章简介/ 02
随着先进仪器与技术的发展，透射电子显微镜-扫描隧道显微镜 (TEM-STM)、透射电子显微镜-原子力显微镜 (TEM-AFM)、应变装置、微机电系统 (TEM-MEMS) 和纳米压痕技术越来越多地应用于纳米尺度材料的力学性能研究，如弹性、塑性及摩擦等。本综述首先针对上述各种原位技术的实现方法进行介绍，阐述力学测试技术的原理，总结其适用条件（载荷模式、样品尺寸）并分析各自优劣势，有利于加深对不同纳米力学测量技术的了解。其次，如图1所示，总结通过上述方法测得的纳米尺度材料的弹性性能（杨氏模量，弹性应变）、塑性变形行为（表面原子，缺陷动态演变）、粘弹性（变形量，恢复时间，结构及成分分布）、断裂行为（断裂强度，断裂表面）以及摩擦行为（界面原子结构、力信号），有助于构建纳米尺度材料的原子结构与力学性能间关系，系统理解其力学本质。最后，提出影响纳米材料力学性能的主要影响因素及作用机制，如：表面效应、缺陷以及电场等，有利于促进纳米材料力学性能的改善及相关器件的力学设计优化、可靠性与稳定性提升。
图1. 通过原位透射电子显微技术探究纳米尺度材料的力学性能
结论与展望 / 03
随着透射电子显微镜成像技术的进步和原位技术的发展，具有原子级分辨率、丰富倒易空间和能量空间信息的原位透射电子显微镜技术在原子尺度揭示材料的变形过程及物性测量方面发挥着不可替代的作用。近年来，研究人员将扫描隧道显微镜、原子力显微镜等技术与透射电子显微镜相结合，产生了应用于纳米尺度材料力学测量的先进原位透射电子显微技术，从而为纳米材料的原子结构-力学性能-作用机理研究提供了新的机遇。
尽管原位透射电子显微镜技术已被广泛应用于纳米材料的力学性能研究，截至目前其仍面临诸多挑战，主要集中在以下方面：(1). 测得力信号的分辨率和精度；(2). 三维观测下的时域分辨率；(3). 变形过程中化学组分和结构演变的同步观测；(4). 原位实验产生庞大数据的后期处理及分析；(5). 微纳尺度材料力学特性及宏观块体力学性能的相互关联；(6). 复杂工作环境下多耦合外部场（光、电、力、热等）的引入；(7). 液氮温度范围内材料的力学性能测量。
综上，原位透射电子显微镜技术可以实现纳米尺度材料力学性能、原子结构及其动态演变过程间的直接关联，是纳米力学研究中不可或缺的有利工具。本文系统综述了原位透射电子显微技术用于纳米力学测量的工作原理、优劣势、所获纳米材料的力学性能及主要参数、影响因素等，针对不同原位测量技术的局限性进行分析并提出改善方法，有望推动原位透射电子显微镜技术在纳米力学测量方面的发展及应用。
基金支持
本文研究由国家自然科学基金（No. 12304050、No. 62271450），中国博士后科学基金（No. 2023M743227）及河南省自然科学基金（No. 242300421669）支持。
作者简介
刘春萌，女，郑州大学讲师，2020年博士毕业于日本国立北陆先端科学技术大学院大学，主要从事纳米尺度下材料构效关系的原位透射电子显微学研究。主持2024年度国家资助博士后研究人员计划C档、河南省自然科学基金青年项目。以第一作者身份在Advanced Science, Carbon, Applied Surface Science等期刊发表多篇论文，曾获国家建设高水平大学公派博士研究生，日本政府文部科学省外国人留学生荣誉奖学金等荣誉。
张家奇, 男，郑州大学物理学院副教授，2021年博士毕业于日本国立北陆先端科学技术大学院大学，目前主要从事原位透射电子显微学的研究，包括原位TEM样品杆的设计开发、量子材料低维结构表征、新奇量子态研究。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、教育部博士后海外引才专项、中国博士后科学基金第74批面上项目等，已在Phys. Rev. Lett、Adv. Sci, Nano.Lett.、Appl. Surf. Sci.、Carbon等期刊上发表多篇学术论文。
程少博，男，郑州大学物理学院教授，博士生导师，国家高层次人才青年项目获得者。2017年博士毕业于清华大学，博士毕业后先后前往加拿大麦克马斯特大学和美国布鲁克海文国家实验室从事博士后研究。2022年入职郑州大学参加工作。主要从事电子显微学、半导体器件物理等领域，在Science等期刊发表学术论文60余篇，曾获美国电子显微学会优秀博士后奖等荣誉。
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