位错是晶体中一类重要结构缺陷，是材料科学研究的共性基础理论问题之一。位错的形成、分布和演化等与材料的晶体结构和物理性质密切相关，同时又深刻影响着材料的扩散、相变、形变行为以及诸多服役性能。采用传统表征方法所得到位错图像或者是位错与样品表面的截面特征，或者是位错结构在采集像平面上的二维投影，难以准确反映位错的空间信息在诸多方面限制了材料科学家对位错相关性质的进一步认知，开发先进的位错多维多尺度表征技术，全面解析位错在三维空间中的几何、晶体学和能量参量信息，对于深刻理解位错相关基础科学问题和丰富完善位错理论具有重要意义。

本文回顾了基于同步辐射X射线、聚焦离子束-电子通道衬度成像和透射电镜的位错三维重构方法，重点介绍了基于透射电镜的原子分辨率位错三维重构体视学原理位错三维重构和系列倾转位错三维重构方法的技术原理和应用实例，对比了各技术在分辨率、定量表征和参量信息耦合能力方面的优缺点，随后提出了一种可以实现位错几何和晶体学特征参量高精度耦合表征的位错三维定量集成表征技术，可以实现对位错几何特性、晶体学特性和能量特性的三维集成定量表征。同时总结了该位错三维重构方法中存在的一些技术问题和挑战，包括图像衬度优化、辐照损伤、图像处理、重构算法以及位错识别和分割等。最后讨论了该技术的潜在应用，从与现有表征技术耦合和数据采集新策略等方面对未来开发先进四维位错表征技术进行了展望。

相关研究成果以《TEM-based dislocation tomography: Challenges and opportunities》为题于2020年发表在Current Opinion in Solid State & Materials Science期刊第24期，并被选为期刊当期封面论文。论文链接https://doi.org/10.1016/j.cossms.2020.100833   作者：冯宗强*，符锐，林程威，吴桂林*，黄天林，张玲，黄晓旭

本文提出的基于透射电镜的位错三维表征新方法简介：

图1 基于TEM位错重构过程示意图。保持稳定的双束条件获取不同倾转角度下位错结构的暗场图像。经过合轴、重构、位错识别分割、可视化等处理得到样品坐标系下的位错三维信息，之后通过关联晶体学分析将重构结果关联至晶体坐标系，进一步实现对位错几何和晶体学特征参量高精度耦合表征。

应用实例：

图2 (a) 淬火态Al-Cu-Mg合金中位错界面的弱束暗场图像；(b) a图对应区域重构结果的可视化，图中位错线颜色根据位错柏氏矢量编码；(c) a中左上角位错列相关参数的量化；(d) 单根位错参数量化

图3 (a) 三根典型位错的重构结果；(b) a中对应位错的组分分布

本文提出的位错三维重构方法能够全面得到位错相关几何和晶体学参数，该方法可同时耦合元素、取向、应力分布等信息，为研究者探索微观结构演化的基本机制提供了一种新的途径。此外，该方法与透射电镜中力、热、电、磁等各种原位设备相联用将表现出巨大的应用潜力，将拓宽研究者从位错视角对材料中晶粒细化、加工硬化、非均匀沉淀、再结晶和晶粒生长等过程的认识。可以预见，本文提出的基于透射电镜的位错三维重构技术将为材料科学领域理论研究和应用提供新的契机。

写稿人：符锐