2-11、高通量实验室表征技术及应用

项晓东^*

南方科技大学 材料科学与工程系

摘要：材料科学的研究方式正在随着大数据和人工智能的兴起发生巨大变革。基于高通量实验及计算的材料数据采集和人工智能数据分析的“中国版材料基因组计划”应运而生。通过高通量实验手段，高效构建材料成分-结构-性能间的关联数据是材料基因工程的核心之一。随着材料基因组工程项目推进，高通量制备技术已经日臻成熟，然而，与其相匹配的微区、快速、原位、实时表征技术仍存在众多技术难题。本报告将围绕深圳材料基因组大科学装置平台的预研工作已经取得的进展，介绍在实验室表征材料光学、电学、热学、磁学、力学等物理性能的微区、快速、原位高通量表征新技术。

电阻率是重要的材料物理参量。传统测量普遍使用接触式四电极法测量电学性能，难以用于材料基因芯片的微区高通量测量。段反射率的精确测定，建光学常数实部与虚部的关系，本课题组利用正确描述物质中自由电子与电场相互作用的Drude-模型中光学常数与导电电子散射频率直接关联的原理，结合介电损失函数在等离子体频率的特征峰的测量，可靠获取与温度相关的电阻率及热学参数，实现快速、非接触、高空间分辨率的远场光探针高通量电、热参量表征。

X射线原子吸收精细谱学实验是目前能够无损原位研究样品中特定元素化学价态及精细结构的唯一手段。常见的X射线分析手段，包括衍射、散射、荧光分析等都可在常规实验室工作，而X射线吸收谱至今仍只能在同步辐射装置中进行工作。虽然人们一直没有放弃利用实验室X射线光源开展X射线吸收谱学实验的尝试，但由于技术所限，实验效率一直很低，难以满足常规实验的需求。其原因在于X射线吸收谱需要高光通量（>10¹⁰phs/s）、高亮度（>10¹²phs/s/mm²）、宽能量范围（覆盖2.0—12keV）、高分辨率（<1eV），常规实验室X射线光源无法满足。本课题组利用目前最新的实验室X射线光源技术（精细阳极靶）、X射线光学技术（双曲聚焦）、X射线探测器技术，以高功率微聚焦X光机作为光源，通过曲面晶体实现大立体角的X射线接收和波长色散，使光源利用效率比传统的单色方法提升1到2个数量级；同时利用最新的二维像素阵列探测器技术，实现波长色散信号的大面积高效测量；研发配套的控制、标定和数据处理软件，形成完整的实验室X射线光源吸收谱学系统，十分钟内即可得到一套标准样品的吸收谱曲线。首次实现利用实验室X射线光源开展吸收谱学实验的目标，使实验室条件下开展此类研究成为可能。

织构和残余应力分布是衡量材料服役性能的基础性数据。传统方法无法满足工程材料对相关参数的表征需求。通过透射式成像中因衍射导致的消光信号同样可以获得相关晶体衍射信息。本课题组利用透射成像中衍射消光信号获得相关晶粒的衍射信息，构建新型硬X射线衍射消光成像技术。通过百万像素对衍射消光谱的并行测量，实现每分钟一百万以上消光摇摆曲线的测量，高通量获取成像区域的晶粒取向和应力分布，突破了高温合金单晶叶片等关键部件应力分布无法检测的瓶颈。

关键词：高通量；实验室表征；远场光探针；衍射消光

通讯作者：项晓东，电话15800899229，Email: xiangxd@sustc.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.211