透射電鏡TEM測試晶體、非晶、晶粒概念講解

要理解這幾個概念，首先要理解晶體概念，以及晶粒概念。我想學(xué)固體物理的或者金屬材料的都會對這些概念很清楚.

自然界中物質(zhì)的存在狀態(tài)有三種：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)

固體又可分為兩種存在形式：晶體和非晶體

晶體是經(jīng)過結(jié)晶過程而形成的具有規(guī)則的幾何外形的固體；晶體中原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)的排列。

晶體共同特點(diǎn)：
1.均 勻 性： 晶體內(nèi)部各個部分的宏觀性質(zhì)是相同的。
2.各向異性： 晶體種不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)。
3.固定熔點(diǎn)： 晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，熔化時，各部分需要同樣的溫度。
4.規(guī)則外形： 理想環(huán)境中生長的晶體應(yīng)為凸多邊形。
5.對 稱 性： 晶體的理想外形和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特定的對稱性。

對晶體的研究，固體物理學(xué)家從成健角度分為:離子晶體, 原子晶體, 分子晶體, 金屬晶體。顯微學(xué)則從空間幾何上來分，有七大晶系，十四種布拉菲點(diǎn)陣，230種空間群。與晶體對應(yīng)的，原子或分子無規(guī)則排列，無周期性無對稱性的固體叫非晶，如玻璃，非晶碳。一般，無定型就是非晶 英語叫amorphous，也有人叫g(shù)lass(玻璃態(tài)）。

晶粒是另外一個概念，搞材料的人對這個最熟了。首先提出這個概念的是凝固理論。從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程首先要成核，然后生長，這個過程叫晶粒的成核長大。晶粒內(nèi)分子、原子都是有規(guī)則地排列的，所以一個晶粒就是單晶。多個晶粒，每個晶粒的大小和形狀不同,而且取向也是凌亂的,沒有明顯的外形,也不表現(xiàn)各向異性,是多晶。英文晶粒用Grain表示，注意與Particle是有區(qū)別的。

有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均勻程度，各個晶粒的取向關(guān)系都是很重要的組織（組織簡單說就是指固體微觀形貌特征）參數(shù)。對于大多數(shù)的金屬材料，晶粒越細(xì)，材料性能（力學(xué)性能）越好，好比面團(tuán)，顆粒粗的面團(tuán)肯定不好成型，容易斷裂。所以很多冶金學(xué)家材料科學(xué)家一直在開發(fā)晶粒細(xì)化技術(shù)。

科學(xué)總是喜歡極端，看得越遠(yuǎn)的鏡子叫望遠(yuǎn)鏡；看得越細(xì)的鏡子叫顯微鏡。晶粒度也是這樣的，很小的晶粒度我們喜歡，很大的我們也喜歡。最初，顯微鏡倍數(shù)還不是很高的時候，能看到微米級的時候，覺得晶粒小的微米數(shù)量是非常小的了，而且這個時候材料的力學(xué)性能特別好。人們習(xí)慣把這種小尺度晶粒較微晶。然而科學(xué)總是發(fā)展的，有一天人們發(fā)現(xiàn)如果晶粒度在小呢，材料性能變得不可思議了，什么量子效應(yīng)，隧道效應(yīng)，超延展性等等很多小尺寸效應(yīng)都出來了，這就是現(xiàn)在很熱的，熱得不得了的納米，   晶粒度在1nm-100nm之間的晶粒我們叫納米晶。

再說說非晶，非晶是無規(guī)則排列，無周期無對稱特征，原子排列無序，沒有一定的晶格常數(shù)，描敘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的只有徑向分布函數(shù)，這是個統(tǒng)計(jì)的量。我們不知道具體確定的晶格常數(shù)，我們總可以知道面間距的統(tǒng)計(jì)分布情況吧。非晶有很多誘人的特性，所以也有一幫子人在成天做非晶，尤其是作大塊的金屬非晶。因?yàn)樗膽?yīng)力應(yīng)變曲線很特別。前面說了，從液態(tài)到到固態(tài)有個成核長大的過程，我不讓他成核呢，直接到固態(tài)，得到非晶，這需要很快的冷卻速度。所以各路人馬一方面在拼命提高冷卻速度，一方面在不斷尋找新的合金配方，因?yàn)椴煌暮辖鹋浞接胁煌姆蔷纬赡芰ΓǔＳ蠺g參數(shù)征，叫玻璃化溫度。非晶沒有晶粒，也就沒有晶界一說。也有人說過非晶可以看成有晶界組成。 那么另一方面，我讓他成核，不讓他長大呢，不就成了納米晶。

人們都說，強(qiáng)扭的瓜不甜，既然都是抑制成核長大，那么從熱力學(xué)上看，很多非晶，納米晶應(yīng)該不是穩(wěn)態(tài)相。所以你作出非晶、納米晶了，人們自然會問你熱穩(wěn)定性如何。

后來，盧柯是搞非晶的，讀研究生的時候他還一直想把非晶的結(jié)構(gòu)搞清楚。他想既然我把非晶做出來了，為什么我不可以把非晶直接晶化成納米晶呢，納米晶熱啊，這也是一種方法，叫非晶晶化法。

既然晶界是一種缺陷，缺陷當(dāng)然會影響材料性能，好壞先不管他，但是總不好控制。如果我把整個一個材料做成一個晶粒，也就是單晶，會是什么樣子呢，人們發(fā)現(xiàn)單晶確實(shí)會有多晶非晶不同的性能，各向異性，誰都知道啊。當(dāng)然還有其他的特性。所以很多人也在天天搗鼓著，弄些單晶來。

現(xiàn)在不得不說準(zhǔn)晶。準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)80年代晶體學(xué)研究中的一次突破。這是我們做電鏡的人的功勞。1984年底，D.Shechtman等人宣布，他們在急冷凝固的Al Mn合金中發(fā)現(xiàn)了具有五重旋轉(zhuǎn)對稱但并無無平移周期性的合金相，在晶體學(xué)及相關(guān)的學(xué)術(shù)界引起了很大的震動。不久，這種無平移同期性但有位置序的晶體就被稱為準(zhǔn)晶.
孿晶，英文叫twinning，孿晶其實(shí)是金屬塑性變形里的一個重要概念。孿生與滑移是兩種基本的形變機(jī)制。從微觀上看，晶體原子排列沿某一特定面鏡像對稱。那個面叫欒晶面。很多教科書有介紹。一般面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料，滑移系多，已發(fā)生滑移，但是特定條件下也有孿生。加上面心立方結(jié)構(gòu)層錯能高，不容易出現(xiàn)孿晶，曾經(jīng)一段能夠在面心立方里發(fā)現(xiàn)孿晶也可以發(fā)很好的文章。前兩年，馬恩就因?yàn)樵阡X里面發(fā)現(xiàn)了孿晶，發(fā)了篇Science。盧柯也因?yàn)樵诩{米銅里做出了很多孿晶，既提高了銅的強(qiáng)度，又保持了銅良好導(dǎo)電性（通常這是一對矛盾），也發(fā)了個Science。

現(xiàn)在，從顯微學(xué)上來看單晶，多晶，微晶，非晶，準(zhǔn)晶，納米晶，加上孿晶。單晶與多晶，一個晶粒就是單晶，多個晶粒就是多晶，沒有晶粒就是非晶。單晶只有一套衍射斑點(diǎn)；多晶的話，取向不同會表現(xiàn)幾套斑點(diǎn)，標(biāo)定的時候，一套一套來，當(dāng)然有可能有的斑點(diǎn)重合，通過多晶衍射的標(biāo)定可以知道晶?；蛘邇上嘀g取向關(guān)系。如果晶粒太小，可能會出現(xiàn)多晶衍射環(huán)。非晶衍射是非晶衍射環(huán)，這個環(huán)均勻連續(xù)，與多晶衍射環(huán)有區(qū)別。

納米晶，微晶是從晶粒度大小角度來說的，在大一點(diǎn)的晶粒，叫粗晶的。在從衍射上看，一般很難作納米晶的單晶衍射，因?yàn)樽钚∥镧R光欄選區(qū)還是太大。