【摘要】：具備極高的時間-空間分辨的超快透射電子顯微鏡(UTEM),在直接觀測材料的微觀結構以及動態(tài)過程方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在博士論文研究期間,以自主研制的UTEM為基礎,積極參與了設備改進和性能優(yōu)化工作,提高了UTEM設備的光發(fā)射性能。在課題研究中,系統(tǒng)探索了超快激光誘導的形狀記憶合金MnNiSn的馬氏體結構相變的動力學過程;并利用洛倫茲技術在實空間研究了MnNiGa中磁疇的超快退磁過程。此外,利用透射電子顯微鏡(TEM)原位技術探索了拓撲磁結構斯格明子(Skyrmion)與孿晶結構的關系,為進一步探索Skyrmion體系的超快磁動力學過程奠定了基礎。本論文的創(chuàng)新和成果如下:1.參與國內首臺UTEM的搭建研制及設備性能優(yōu)化過程,使用不同的燈絲(LaB_6燈絲、W燈絲、Ta燈絲)評估了UTEM的光發(fā)射性能。在不斷的探索和優(yōu)化后,UTEM的時間-空間分辨率(空間分辨率0.35nm,時間分辨率1ps)達到了國際領先水平,實現了超快電子衍射以及實空間成像技術。2.利用UTEM對鐵磁形狀記憶合金Mn_(50)Ni_(40)Sn_(10)進行了超快脈沖激光誘導的馬氏體相變實驗,結合超快圖像和電子衍射揭示了發(fā)生在皮秒(ps)時間尺度的馬氏體相變和逆相變過程,通過二溫度模型(2TM)的理論計算解釋了相變發(fā)生的快慢與激光功率密度以及樣品厚度之間的關聯(lián)。并且觀察到了與不同的應力波模式耦合作用的馬氏體疇振蕩成核過程,以及缺陷調制的馬氏體相變過程。3.在UTEM的基礎上發(fā)展了四維洛倫茲顯微技術(Lorentz UTEM),在光發(fā)射模式下對磁結構的空間分辨率達到了50nm以下。結合飛秒/納秒兩套激光系統(tǒng),從實空間首次觀察并記錄了MnNiGa磁性材料由超快激光誘發(fā)的磁疇的超快退磁、部分再磁化、熱退磁以及熱擴散之后再磁化的完整過程,并結合三溫度模型(3TM)進行了討論。4.為發(fā)展Skyrmion體系的超快磁相變過程探索了新型的拓撲磁結構Skyrmion,利用TEM以及豐富的原位技術研究了磁性材料MnPtSn中Skyrmion與孿晶結構之間的關聯(lián)。
【圖文】：

圖 1.1 蛇吞象圖，形象的表示了物質世界的空間尺度著科學技術的發(fā)展，人們不再滿足于肉眼對物質世界的分辨，盡管不受衍射限制，但它的空間和時間分辨率也停留在了 100 微米和幾圖 1.2 所示，17 世紀光學顯微鏡的誕生，將人類帶入了探索微觀世是人們也逐漸的認識到，光學顯微鏡的空間分辨率被可見光的波長制 1933 年，Max Knoll 和 Ernst Ruska 發(fā)明了電子顯微鏡[1]，并且在

圖 1.2 從肉眼到電子顯微鏡的空間分辨率在不斷追求比肉眼更高的空間分辨率的同時，人們也想看到肉眼不能分辨的快的動態(tài)過程。如圖 1.3(a)所示，早在一百多年前，英國攝影師 Muybridge 利高速快門對奔跑中的賽馬進行拍攝，實現了肉眼無法觀察的 1 毫秒時間分辨率一種捕捉物體快速運動的方法是頻閃觀測，在 20 世紀中葉，，Edgerton 發(fā)明了種能產生微秒量級光脈沖鏈的電子閃光儀器，極大的推動了頻閃觀測技術的發(fā)，圖 1.3(b)是利用頻閃觀測儀記錄的蘋果從高處自由落體的過程，可以觀測到重力引起的加速現象。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN16

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