本發(fā)明涉及晶體材料缺陷變形場(chǎng)分析，具體涉及一種基于幾何相位分析的原子尺度變形場(chǎng)兩項(xiàng)梯度解耦方法。

背景技術(shù)：

1、晶體材料的宏觀力學(xué)性能在很大程度上受其微觀缺陷演化的影響。微觀缺陷的類(lèi)型、分布和動(dòng)態(tài)行為會(huì)直接決定材料在外界力作用下的響應(yīng)特性。因此，深入理解和分析晶體材料在微納米尺度下的結(jié)構(gòu)演化，對(duì)于提升材料性能和開(kāi)發(fā)新型高性能材料具有重要意義。

2、在微納米尺度下，晶體材料中的位移場(chǎng)是由原子排列的微小變化所引起的。這些變化通常表現(xiàn)為微觀缺陷如位錯(cuò)、界面和相界的運(yùn)動(dòng)和相互作用。準(zhǔn)確測(cè)量和分析這些位移場(chǎng)，可以揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)特性及其演化規(guī)律，從而為材料設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

3、傳統(tǒng)的表征技術(shù)，如透射電子顯微鏡(tem)和高分辨透射電子顯微鏡(hrtem)，雖然能夠提供納米尺度的結(jié)構(gòu)信息，但如何有效地從這些圖像中提取并量化位移場(chǎng)信息，仍然是一個(gè)技術(shù)難題。幾何相位分析(gpa)作為一種先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)hrtem圖像的傅里葉空間分析，能夠高精度地提取位移場(chǎng)信息。然而，現(xiàn)有的gpa技術(shù)主要集中在位移場(chǎng)的獲取，對(duì)于進(jìn)一步分解和分析這些位移場(chǎng)的組成部分(如旋轉(zhuǎn)場(chǎng)、體脹場(chǎng)和剪切場(chǎng))還不夠完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種晶體材料微納尺度變形場(chǎng)分解的分析方法，以解決目前材料微觀演化機(jī)制調(diào)控宏觀性能的多尺度問(wèn)題，尤其是微觀缺陷演化機(jī)制分析困難，原子運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，多重缺陷相互作用機(jī)制等問(wèn)題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種基于幾何相位分析的原子尺度變形場(chǎng)兩項(xiàng)梯度解耦方法，其特征在于,主要包括以下步驟:

3、(1)對(duì)事先選取的材料區(qū)域用高分辨透射電子顯微鏡觀察,以獲取高分辨透射電子顯微鏡圖像，基于高分辨透射電子顯微鏡圖像獲取晶體變形后的原始數(shù)據(jù)；

4、(2)對(duì)晶體變形后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換以獲得倒易空間信息，選擇不同晶向的倒易空間信息中的衍射斑點(diǎn)進(jìn)行逆傅里葉變換，以得到局部晶格的相位信息，再根據(jù)局部晶格的相位信息計(jì)算出晶粒內(nèi)部的原子位移場(chǎng)；

5、(3)對(duì)計(jì)算得到的原子位移場(chǎng)進(jìn)行兩項(xiàng)梯度分解，分解成包含局部仿射變形的一階仿射位移梯度張量與包含局部非仿射變形的二階非仿射位移梯度張量，并對(duì)一階仿射位移梯度張量與二階非仿射位移梯度張量分別進(jìn)行分解,得到各自基本局部化事件的變形分量，兩項(xiàng)疊加后得到綜合考慮局部仿射變形與非仿射變形的基本局部化事件分量；

6、(4)根據(jù)得到的基本局部化事件的變形分量，定義原子運(yùn)動(dòng)中的各自的參與度，分析材料晶體缺陷演化過(guò)程中原子時(shí)空運(yùn)動(dòng)模式，以確定微觀缺陷演化的原子尺度物理機(jī)理。

7、所述基于幾何相位分析的原子尺度變形場(chǎng)兩項(xiàng)梯度解耦方法，其中，所述步驟(2)的具體過(guò)程如下：

8、(2.1)對(duì)高分辨透射電子顯微鏡圖像進(jìn)行傅里葉變換，獲取倒易空間圖像

9、(2.2)在倒易空間選取不同基矢量目標(biāo)的衍射點(diǎn)進(jìn)行掩膜處理，并對(duì)選取的衍射點(diǎn)進(jìn)行逆傅里葉變換重新構(gòu)造強(qiáng)度分布信息為:

10、

11、其中，上式中g(shù)1，g2為選取倒易空間基矢量的坐標(biāo)，i是逆傅里葉變換后得到的正空間強(qiáng)度分布信息，ag和pg分別表示不同衍射點(diǎn)的振幅和相位，a0表示正空間強(qiáng)度的基值；

12、(2.3)根據(jù)重構(gòu)后的正空間強(qiáng)度分布信息，獲取相位變化信息pg，求解得到導(dǎo)致相位周期變化的位移場(chǎng)。

13、所述基于幾何相位分析的原子尺度變形場(chǎng)兩項(xiàng)梯度解耦方法，其中，所述步驟(2.2)的具體過(guò)程為：

14、(2.2.1)選取倒易空間中在基矢量目標(biāo)的衍射點(diǎn)；

15、(2.2.2)將掩膜處理后，選擇特定的頻率成分，進(jìn)行功率譜分析，以選擇特定的峰值，提取圖像中的周期性信息和晶格結(jié)構(gòu)信息

16、(2.2.3)將獲取的傅里葉變換，得到正空間中的其中,和分別為選取掩膜處理后進(jìn)行逆傅里葉變換的圖像強(qiáng)度信息；

17、對(duì)于產(chǎn)生位移相位變化為：

18、由此，得到位移與相位信息的關(guān)聯(lián)公式，即相位變化所產(chǎn)生的位移場(chǎng)公式為：

19、

20、其中,上式中ux、uy分別為高分辨透射電鏡圖像中水平方向和豎直方向的位移；g1x、g1y、g2x和g2y分別為基矢量取和的橫縱坐標(biāo)；和分別為和方向上的周期性相位變化，是關(guān)于正空間坐標(biāo)(x,y)的函數(shù)。

21、所述基于幾何相位分析的原子尺度變形場(chǎng)兩項(xiàng)梯度解耦方法，其中，所述步驟(3)中對(duì)計(jì)算得到的原子位移場(chǎng)進(jìn)行二階梯度分解的具體過(guò)程為：

22、(3.1)為更好的分析微觀位移場(chǎng)與結(jié)構(gòu)晶向的關(guān)系，將位移進(jìn)行坐標(biāo)變換，變成平行代表晶向與垂直于的直角坐標(biāo)系；

23、(3.2)將變換坐標(biāo)后的位移進(jìn)行tay?l?or展開(kāi)，分別計(jì)算出一階仿射位移梯度張量f與二階非仿射位移梯度張量η；其中，一階仿射位移梯度張量展開(kāi)形式為二階非仿射位移梯度張量表示為

24、(3.3)對(duì)于二維空間的一階仿射位移梯度張量基本局部化變形事件的分解：

25、

26、其中，上式中分別為仿射變形中體脹、剪切與旋轉(zhuǎn)三類(lèi)基本局部化事件的分量；

27、對(duì)二維空間的二階非仿射位移梯度張量進(jìn)行基本局部化變形事件的分解：

28、

29、且上式中分別為非仿射變形中的體脹、剪切與旋轉(zhuǎn)分量；

30、(3.4)對(duì)仿射變形與非仿射變形的體脹、旋轉(zhuǎn)和剪切分量進(jìn)行疊加：

31、

32、其中，上式中ai為一階二項(xiàng)張量，其中a1與基矢量g1平行，模量等于其晶向下的晶面間距，a2垂直于a1，模量等于垂直a1晶向下的晶面間距；和分別為無(wú)量綱的二階非仿射變形的體脹、剪切和旋轉(zhuǎn)分量；d、s、r分別表示綜合考慮一階仿射變形與二階非仿射變形的體脹、剪切和旋轉(zhuǎn)三個(gè)基本局部化事件分量。

33、所述基于幾何相位分析的原子尺度變形場(chǎng)兩項(xiàng)梯度解耦方法，其中，所述步驟(4)中的原子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同區(qū)域的體脹、剪切和旋轉(zhuǎn)的參與度的定義為：

34、

35、其中，上式中pd、ps和pr分別表示原子體脹、剪切和旋轉(zhuǎn)變形事件在缺陷演化過(guò)程中參與度的大小，衡量導(dǎo)致缺陷演化的主要變形模式；

36、通過(guò)對(duì)比分析缺陷演化不同階段中體脹、剪切和旋轉(zhuǎn)三類(lèi)基本變形事件的參與度的大小，得到缺陷生成和演化過(guò)程中原子時(shí)空運(yùn)動(dòng)模式，獲得缺陷演化的物理機(jī)制。

37、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

38、本發(fā)明構(gòu)思合理,可以精確完整地描述局部變形信息，幫助深入理解晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)演化與變形機(jī)制。本發(fā)明能夠有效解決目前材料微觀演化機(jī)制調(diào)控宏觀性能的多尺度問(wèn)題，特別是微觀缺陷演化機(jī)制分析困難、原子運(yùn)動(dòng)模式復(fù)雜和多重缺陷相互作用機(jī)制等挑戰(zhàn)；同時(shí),可以解決目前材料微觀演化機(jī)制調(diào)控宏觀性能的多尺度問(wèn)題，尤其是微觀缺陷演化機(jī)制分析困難，原子運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，多重缺陷相互作用機(jī)制等問(wèn)題。

39、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

40、(1)與宏觀凍結(jié)試驗(yàn)結(jié)合，可以分析微納觀缺陷不同演化階段下原子運(yùn)動(dòng)的時(shí)序問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)跨尺度的分析材料的變形機(jī)理，與傳統(tǒng)的幾何相位分析方法相比，其中優(yōu)勢(shì)是綜合考慮了原子的仿射與非仿射運(yùn)動(dòng)，具有更全面的運(yùn)動(dòng)信息；

41、(2)傳統(tǒng)變形場(chǎng)的分解主要僅針對(duì)仿射變形定義的von?m?i?ses應(yīng)變，會(huì)不可避免的造成變形信息的缺失，在一定程度上不能完整的描述，尤其是微觀離散的原子尺度的運(yùn)動(dòng)模式。綜合考慮原子一階仿射變形與二階非仿射變形，分解成體脹、剪切和旋轉(zhuǎn)三種基本局部化變形事件，定義三類(lèi)事件的的參與度，可深入剖析原子運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)模式，深入分析變形過(guò)程中原子的時(shí)空運(yùn)動(dòng)規(guī)律，克服缺陷演化過(guò)程中原子運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的局限性，以一種新的方式描述微觀缺陷演化過(guò)程；

42、(3)與當(dāng)前原子尺度分析手段相比，如分子動(dòng)力學(xué)模擬，我們的方法更與試驗(yàn)相結(jié)合，分析實(shí)際變形后的試樣更貼近實(shí)際情況，尤其是針對(duì)多重缺陷的作用機(jī)理，我們可以綜合考慮復(fù)雜的原子運(yùn)動(dòng)，為揭示原子尺度變形機(jī)理提供有效的實(shí)驗(yàn)輔助手段；

43、(4)當(dāng)前變形分解主要考慮仿射運(yùn)動(dòng)，造成變形信息的缺失，我們的分解方法也為其他變形場(chǎng)的分解提供了新的思路。

44、同時(shí)，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

45、(1)分析微觀缺陷演化的原子運(yùn)動(dòng)機(jī)理，揭示微觀缺陷的形成和演化的物理機(jī)制；

46、(2)本發(fā)明有助于材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化，促進(jìn)新型高性能材料的研發(fā)；

47、(3)與凍結(jié)試驗(yàn)、分子動(dòng)力學(xué)模擬等技術(shù)結(jié)合，提高研究效率；

48、(4)本發(fā)明適用于各種晶體材料變形分析，不僅在基礎(chǔ)研究中具有重要價(jià)值，還可用于微納米技術(shù)、半導(dǎo)體材料分析、復(fù)合材料等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。