功能体系的相变及结构动力学的超快透射电子显微镜研究

发布时间：2020-05-30 13:50

【摘要】：具备极高的时间-空间分辨的超快透射电子显微镜(UTEM),在直接观测材料的微观结构以及动态过程方面发挥着越来越重要的作用。在博士论文研究期间,以自主研制的UTEM为基础,积极参与了设备改进和性能优化工作,提高了UTEM设备的光发射性能。在课题研究中,系统探索了超快激光诱导的形状记忆合金MnNiSn的马氏体结构相变的动力学过程;并利用洛伦兹技术在实空间研究了MnNiGa中磁畴的超快退磁过程。此外,利用透射电子显微镜(TEM)原位技术探索了拓扑磁结构斯格明子(Skyrmion)与孪晶结构的关系,为进一步探索Skyrmion体系的超快磁动力学过程奠定了基础。本论文的创新和成果如下:1.参与国内首台UTEM的搭建研制及设备性能优化过程,使用不同的灯丝(LaB_6灯丝、W灯丝、Ta灯丝)评估了UTEM的光发射性能。在不断的探索和优化后,UTEM的时间-空间分辨率(空间分辨率0.35nm,时间分辨率1ps)达到了国际领先水平,实现了超快电子衍射以及实空间成像技术。2.利用UTEM对铁磁形状记忆合金Mn_(50)Ni_(40)Sn_(10)进行了超快脉冲激光诱导的马氏体相变实验,结合超快图像和电子衍射揭示了发生在皮秒(ps)时间尺度的马氏体相变和逆相变过程,通过二温度模型(2TM)的理论计算解释了相变发生的快慢与激光功率密度以及样品厚度之间的关联。并且观察到了与不同的应力波模式耦合作用的马氏体畴振荡成核过程,以及缺陷调制的马氏体相变过程。3.在UTEM的基础上发展了四维洛伦兹显微技术(Lorentz UTEM),在光发射模式下对磁结构的空间分辨率达到了50nm以下。结合飞秒/纳秒两套激光系统,从实空间首次观察并记录了MnNiGa磁性材料由超快激光诱发的磁畴的超快退磁、部分再磁化、热退磁以及热扩散之后再磁化的完整过程,并结合三温度模型(3TM)进行了讨论。4.为发展Skyrmion体系的超快磁相变过程探索了新型的拓扑磁结构Skyrmion,利用TEM以及丰富的原位技术研究了磁性材料MnPtSn中Skyrmion与孪晶结构之间的关联。
【图文】：

图 1.1 蛇吞象图，形象的表示了物质世界的空间尺度着科学技术的发展，人们不再满足于肉眼对物质世界的分辨，尽管不受衍射限制，但它的空间和时间分辨率也停留在了 100 微米和几图 1.2 所示，17 世纪光学显微镜的诞生，将人类带入了探索微观世是人们也逐渐的认识到，光学显微镜的空间分辨率被可见光的波长制 1933 年，Max Knoll 和 Ernst Ruska 发明了电子显微镜[1]，并且在

图 1.2 从肉眼到电子显微镜的空间分辨率在不断追求比肉眼更高的空间分辨率的同时，人们也想看到肉眼不能分辨的快的动态过程。如图 1.3(a)所示，早在一百多年前，英国摄影师 Muybridge 利高速快门对奔跑中的赛马进行拍摄，实现了肉眼无法观察的 1 毫秒时间分辨率一种捕捉物体快速运动的方法是频闪观测，在 20 世纪中叶，，Edgerton 发明了种能产生微秒量级光脉冲链的电子闪光仪器，极大的推动了频闪观测技术的发，图 1.3(b)是利用频闪观测仪记录的苹果从高处自由落体的过程，可以观测到重力引起的加速现象。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN16

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本文编号：2688222