近日，上海科技大學大科學中心和倫敦大學學院納米技術中心團隊合作，利用上海軟X射線自由電子激光成像實驗站，探索了一種新型飛秒衍射成像方法，該成果2025年3月以“Single-shot X-ray imaging of two-dimensional strain fields in colloidal crystals”為題發表于國際晶體學聯合會(International Union of Crystallography，IUCr )期刊IUCrJ。
二維超晶格憑借其可調控的機械、電子與光學特性，可通過單分散膠體顆粒自組裝形成有序結構，實現成分與性能的精準設計，為研究聲子行為及相變機制提供了理想平臺，其中缺陷(如位錯、向錯)在六方相形成和二維熔融過程中具有關鍵作用，相關理論成果推動了凝聚態物理的突破性發展。然而，缺陷的動態演化機制及其對材料宏觀性能的定量調控規律仍不明確，如何實現缺陷的定向構筑與動態追蹤成為該領域亟待解決的核心問題。
布拉格相干衍射成像(BCDI)作為一種具有納米級靈敏度的無損成像技術，可實現晶格應變與缺陷的原位動態觀測。該技術結合硬X射線自由電子激光的超高時空分辨率，已在金、鈦酸鋇等材料的皮秒級晶格動力學研究中取得突破性進展，成功解析了超快非平衡態下的晶格演化機制。近年來，隨著軟X射線自由電子激光技術的突破，BCDI技術將研究維度進一步拓展至二維超晶格拓撲缺陷的超快動力學領域，為納米-飛秒雙尺度下的結構相變研究提供了全新觀測手段。本研究基于單脈沖BCDI技術，首次實現了金顆粒二維超晶格的瞬態超快高分辨重構，所建立的實驗方法為后續開展泵浦-探測超快動力學研究奠定了關鍵技術基礎。
基于上海軟X射線自由電子激光成像實驗站的高亮度相干光源，研究團隊在Si3N4窗口上制備了高有序度的金顆粒單層超晶格樣品，并成功采集到單脈沖下，超晶格的瞬態布拉格衍射斑(圖1)。
圖1 該實驗在上海軟X射線自由電子激光相干衍射成像線站上的衍射光路布局
研究團隊基于迭代式相位恢復算法及二維重構技術，成功解析出金顆粒二維超晶格的結構及其應力分布圖。通過多Q矢量衍射數據的重組和計算，實現了二維晶體全組分應變張量的定量表征(圖2)。實驗結果表明，重構圖像的空間分辨率達110納米，晶格位移靈敏度突破1納米量級，該方法為超快時間尺度下缺陷演化的動態解析提供了有效研究手段。
圖2單脈沖衍射斑經過相位恢復后，得到的兩個晶體的原子位移圖(a-d)和應變張量圖(e-h)
上海科技大學助理研究員刁杰承、博士后高梓宸為文章的共同第一作者，上海科技大學大科學中心江懷東教授、范家東研究員和倫敦大學學院Ian Robinson教授為共同通訊作者。
