五边形孪晶纳米材料中缺陷应变的精确测绘

孪晶现象在多个长度尺度上广泛存在，在晶体学、纳米力学、等离子体学和催化等领域备受关注。其中，具有五重旋转对称性的五重孪晶（PT）纳米结构因内在晶格应变（源于{111}孪晶界间7.35°的角度亏缺）展现出优异的应变相关性能，是理解纳米材料力学、化学和结构行为的关键。然而，以往采用几何相位分析（GPA）或原子电子断层扫描（AET）等原子分辨率技术研究其应变时，因视野狭窄、样本量小，导致关于应变机制（旋转形变主导还是拉伸应变主导）的结论存在争议。

本研究采用纳米束四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）结合倒频谱处理技术，对高均匀性的五角棱柱形纳米颗粒进行应变分析。这类纳米颗粒保留了五重孪晶结构，且具有双{110}基面，沉积后能自发沿<110>晶带轴取向，便于快速数据采集。通过对10个尺寸和形状一致的颗粒（共100个畴）进行统计平均，有效抑制了单颗粒噪声和制备 artifacts，获得了具有统计稳健性的平衡应变分布。

研究发现，拉伸、剪切和旋转应变共同作用以补偿角度亏缺：拉伸应变贡献45%（0.66°），剪切应变贡献22.5%（0.33°），旋转应变贡献32.5%（0.48°）。拉伸应变在畴中心最大，沿角度方向梯度衰减；剪切和旋转应变则在孪晶界附近呈现反对称分布，与分子动力学模拟结果定量吻合。此外，通过调控颗粒的截断度（TD）发现，形状对平衡应变分布有显著影响：增大截断度会降低边缘拉伸应变、增加顶点剪切应变并改变旋转应变分布，表明形状工程是调控此类纳米结构应变的有效策略。

原位加热实验进一步揭示了应变松弛机制：将样品加热至1200°C（高于金的熔点）后，孪晶界处形成周期性分布的弗兰克部分位错和肖克利部分位错，使平均拉伸应变从0.97%降至0.23%，并在冷却后保持稳定。这一发现阐明了五重孪晶纳米结构从平衡应变态向应变松弛基态转变的路径。

综上，本研究建立了五重孪晶纳米结构平衡应变的定量分析框架，揭示了应变分量的协同作用机制和形状调控规律，为通过应变工程设计具有特定功能的纳米材料提供了重要依据。