原位外场作用下"原子结构及亚埃分辨率"凝聚态体系力学等物理性质尺寸效应研究

The atomic structure of condensed matter determines its propoeties. The current project aims to investigate the correlations of atomic scale microstructure and the physical properties of low dimensional, small scale ordered and disordered structures by the in-lab developed atomic resolution in situ TEM techniques for controllable mechanical testing plateform. Using these techqniques together with advacned spectrascopy and atomic-scale and sub-Angstrom scale electron microscopy, studying the novel properties of the perodical and non-periodical condensed matter in the confined system is one of the key issues of the important branch, Metallic Physics of Solid Physics. This project foucses on the following three aspects: 1, The correlations of the microstructure evolution and its mechanical properties of typical face centered cubic (fcc) metals (e.g., Pt with high stacking fault energy and Au, Cu with low stacking fault energy) under axial tensile stress/strain (includes both of single crystal and polycrystalline metals) and the atomic mehcnanims of the size effect;2, The correlations of the microstructure evolution and its mechanical properties of typical body centered cubic (bcc) and hexagonal close packed (hcp) metals under axial tensile stress/strain (focus on single crystals) and the atomic mehcnanims of the size effect;2, In-depth study and understand the atomic mechanisms of size effect of the unsual mechanical properties of disordered condensed matter (e.g. metallic glass). This project is useful, important and significant for proposing and establishing new defect theories in condense matter physics and strength theories for condensed matter in small scale.

凝聚态体系的原子结构决定了其物理性质的外在表现。本项目围绕低维、细小等周期和非周期体系的物质结构与物理性质间关系研究，利用申请者及合作者近年发展的透射电子显微学可控双倾拉伸技术与亚埃及原子尺度显微学/谱学技术相结合，深入研究作为固体物理学分支的金属物理、半导体物理中典型周期/非周期结构在受限体系中的新性能，主要集中在以下三方面:1、典型面心立方（例如：高堆垛层错能Pt和低堆垛层错能Au，Cu）结构金属（单晶及纳米多晶）受拉伸应力、应变作用下的结构演变和相关力学行为等物理性质的尺寸效应的原子机制；2、开展相关体心及六方结构金属（单晶）受单轴拉伸应力、应变作用下的结构演变和相关力学行为等物理性质的尺寸效应的原子机制；3、深入研究无序凝聚态物质（如金属玻璃）力学行为等物理性质的尺寸效应及原子机制。该项目对发现、提出和建立凝聚态物理中的'微纳'尺度缺陷新理论与凝聚态物质的新强度理论具有重要意义。

凝聚态体系的原子层次结构决定了其所拥有的物理性质的外在表现。随着材料尺寸（样品尺寸、多晶晶粒尺寸、孪晶厚度等）的减小，材料会显示出明显的尺寸效应。从原子层次理解尺寸效应对材料的物理、力学性能的影响对于发现凝聚态体系的新现象、提出新概念具有重要意义。.本项目围绕低维、小尺寸等晶体和非晶材料体系的微观结构与物理性质间的关联性展开研究。利用项目组近年发展的基于透射电子显微学的拉伸技术，结合透射电镜中的谱学技术，针对凝聚态物理体系中的金属、半导体等材料，开展了它们在应力场及其它外场下原子层次结构演变及相关物理性能的原位动态研究。包括面心立方体系金属(Ni, Pt, Ag, Cu)、体心立方体系金属(Ta, Mo, Nb, W)、非晶体系（单质金属非晶、氧化硅玻璃、以及GeSbTe相变材料）等。揭示了小尺寸体系材料，在尺寸效应下的变形行为、以及小尺寸对性能的影响。阐明了小尺寸金属材料塑性变形的原子机制，为材料物理性能与原子结构演变之间的相关性建立了清晰的物理图像。本项目的成果对高强度、高韧性的材料设计具有重要的指导意义。.本项目在Nature Communications, Nano Letters, Advanced Materials, ACS Nano等国际SCI期刊发表论文50余篇，其中影响因子大于10的有13篇，获批美国发明专利1项，日本发明专利1项，中国专利13项。共计培养博士生8人，硕士生14人，各类青年人才10余项；项目组3名成员获北京市科学技术一等奖；项目主持人受Nature Materials 邀请撰文，项目组成员受邀参加国际国内会议18次，并作大会报告、特邀报告或邀请报告。