低维结构往往具有不同寻常的物理和化学性能,已经成为近年来研究的热门对象。全面理解与认识低维结构材料的力学性能对实现其在未来器件上的应用具有至关重要的作用。本论文主要运用透射电子显微镜中的电子束对低维结构中的本征缺陷进行了原位的动态表征与修复研究。在本征缺陷的原位动态表征方面主要成果总结如下：1、通过原位高分辨透射电子显微学对10纳米以下的Au颗粒的离散形变机制进行研究。实验中观察到：(1)偏位错从自由表面形核是Au纳米颗粒塑性形变的主要机制,这与块体中位错主要通过Frank-Read位错源形核与增殖形成了鲜明的对比；(2)此外,在宏观块体结构力学形变中起主导作用的斯密特定律在Au纳米颗粒中不能起到决定作用；(3)在断裂后,由于表面应力的作用,金纳米颗粒发生了从FCC结构到BCT结构的相变。这些结果为近年来大量的理论研究提供了实验参考。相关的结果发表在Nat. Commun.2010,144(1):1-8。2、利用原位高分辨透射电子显微学,我们观察到了在非轴向拉伸应力下(轴向拉伸应力以及弯曲应力的共同作用),单晶Au纳米颗粒中形成小角度晶界的过程。令人惊讶的是,在断裂(也就是撤去外界应力)的瞬间,这个晶界又消失了。通过进一步的分析发现小角度晶界的形成主要是由于位错的塞积引起的。而在应力撤去的瞬间,由于镜像力的作用,使得塞积的位错全部被“吸”回颗粒表面。相应的,小角度晶界也随之消失。这就意味着,由位错塞积引起的弯曲应变是可以回复的,称之为赝弹性应变。该结果对于构建高弯曲性能的纳米器件具有重要的意义。相关的实验结果发表在Phys. Rev. Lett.2012,109(22):225501。3、对具有单一孪晶界的Ag纳米线在单轴拉伸应力下的形变进行原位透射电子显微学观察。实验中发现,纳米线的塑性形变主要分为两个阶段：初始阶段塑性形变由表面形核的偏位错的运动提供(与Au纳米颗粒类似)；后期塑性形变主要对应于纳米尺度空洞的形核与长大。在本征缺陷的原位修复方面主要成果总结如下：1、在电子束辐照下,多晶Li20纳米线的伸长量可以达到惊人的80%到176%；而如果没有电子束辐照,其伸长量只有51%到57%。理论计算表明电子束辐照可以增强氧原子跟锂原子的扩散能力,使得空位缺陷得以再填充,从而提高纳米线的延展性。相关的实验结果发表在Sci. Rep.2012,542(2):1-4。2、我们在透射电镜中利用会聚电子束原位制备了Mg纳米孔。通过原位高分辨透射电子显微学,首次从实验的角度报道了Mg纳米孔在电子束的辅助下逐渐收缩直到最后消失的自愈合过程。这个过程主要是由于Mg原子的表面扩散使得纳米孔边缘原子层的“生长”引起的。进一步的研究表明Mg原子的扩散是各向异性的,与理论的预期一致。实验结果拓展了Mg合金在生物以及材料物理领域的应用。同时,我们认为透射电镜可以与其他的研究手段(例如扫描隧道电子显微镜)相互结合,共同研究材料的表面物理,例如原子扩散机制。