近日，上海科技大学大科学中心和伦敦大学学院纳米技术中心团队合作，利用上海软X射线自由电子激光成像实验站，探索了一种新型飞秒衍射成像方法，该成果2025年3月以“Single-shot X-ray imaging of two-dimensional strain fields in colloidal crystals”为题发表于国际晶体学联合会(International Union of Crystallography，IUCr )期刊IUCrJ。
二维超晶格凭借其可调控的机械、电子与光学特性，可通过单分散胶体颗粒自组装形成有序结构，实现成分与性能的精准设计，为研究声子行为及相变机制提供了理想平台，其中缺陷（如位错、向错）在六方相形成和二维熔融过程中具有关键作用，相关理论成果推动了凝聚态物理的突破性发展。然而，缺陷的动态演化机制及其对材料宏观性能的定量调控规律仍不明确，如何实现缺陷的定向构筑与动态追踪成为该领域亟待解决的核心问题。
布拉格相干衍射成像（BCDI）作为一种具有纳米级灵敏度的无损成像技术，可实现晶格应变与缺陷的原位动态观测。该技术结合硬X射线自由电子激光的超高时空分辨率，已在金、钛酸钡等材料的皮秒级晶格动力学研究中取得突破性进展，成功解析了超快非平衡态下的晶格演化机制。近年来，随着软X射线自由电子激光技术的突破，BCDI技术将研究维度进一步拓展至二维超晶格拓扑缺陷的超快动力学领域，为纳米-飞秒双尺度下的结构相变研究提供了全新观测手段。本研究基于单脉冲BCDI技术，首次实现了金颗粒二维超晶格的瞬态超快高分辨重构，所建立的实验方法为后续开展泵浦-探测超快动力学研究奠定了关键技术基础。
基于上海软X射线自由电子激光成像实验站的高亮度相干光源，研究团队在Si3N4窗口上制备了高有序度的金颗粒单层超晶格样品，并成功采集到单脉冲下，超晶格的瞬态布拉格衍射斑（图1）。
图1 该实验在上海软X射线自由电子激光相干衍射成像线站上的衍射光路布局
研究团队基于迭代式相位恢复算法及二维重构技术，成功解析出金颗粒二维超晶格的结构及其应力分布图。通过多Q矢量衍射数据的重组和计算，实现了二维晶体全组分应变张量的定量表征（图2）。实验结果表明，重构图像的空间分辨率达110纳米，晶格位移灵敏度突破1纳米量级，该方法为超快时间尺度下缺陷演化的动态解析提供了有效研究手段。
图2单脉冲衍射斑经过相位恢复后，得到的两个晶体的原子位移图（a-d）和应变张量图（e-h）
上海科技大学助理研究员刁杰承、博士后高梓宸为文章的共同第一作者，上海科技大学大科学中心江怀东教授、范家东研究员和伦敦大学学院Ian Robinson教授为共同通讯作者。
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