基于模拟超分辨电子背散射衍射技术测量相对变形梯度张量的研究

本研究针对低分辨率电子背散射衍射(EBSD)图案测量等容相对变形梯度张量的难题，开发了基于高分辨率Kikuchi图案模拟的超采样分析方法。通过硬度测试压痕模型验证，该方法在硅晶圆无应变区域实现了10-4 量级的应变和旋转角测量精度，同时将所需图案数据量降低两个数量级，为材料应变分析提供了高效精准的新方案。

　　

材料科学领域一直面临着精确测量微观尺度应变的重大挑战。传统电子背散射衍射(EBSD)技术虽然能够提供晶体取向和应变信息，但在测量精度和数据效率方面存在明显局限。特别是在分析低分辨率实验数据时，常规方法难以捕捉晶格变形的细微特征。这种技术瓶颈严重制约了材料性能研究和工业质量控制的发展。

针对这一难题，国外研究团队在《Ultramicroscopy》发表了一项创新研究。研究人员开发了一种基于模拟超分辨的EBSD分析方法，通过结合高精度Kikuchi图案模拟和参数超分辨技术，成功实现了从低分辨率实验数据中提取高精度应变信息。该方法的核心在于利用理论模拟预测高分辨率衍射特征的变化，再与低分辨率实验数据进行匹配比较，从而绕过传统方法对高分辨率实验数据的依赖。

研究采用了多项关键技术：动态模板匹配算法用于图案分析；H5OINA开放数据格式实现数据交互；有限元(FEM)模拟验证实验结果；基于Biot应变张量的参数化方法描述变形状态。实验样本选用50gf载荷下的Si(100)晶圆压痕作为模型体系，通过不同分辨率(1244×1024至38×32像素)的EBSD图案进行方法验证。

在"应变和旋转张量映射"部分，研究展示了250×234扫描点阵的测量结果。与先前研究相比，该方法在622×512像素分辨率下获得的应变分布具有高度一致性。特别值得注意的是，即使将图案分辨率降至155×128像素并采用13×13超采样，仍能保持与全分辨率相当的测量精度，证实了方法的有效性。

"精度和准确度评估"部分通过系统实验量化了不同参数设置下的测量误差。数据显示311×256像素分辨率配合7×7超采样时，应变噪声水平(σ_?
)为0.079mm/m，与全分辨率结果(0.073mm/m)相当。而38×32分辨率下的噪声显著增加至0.249mm/m，确定了方法适用的分辨率下限。研究还发现应变类型判定(K₃
参数)的可靠性需要应变幅值超过1mm/m，约为噪声水平的10倍。

有限元模拟部分建立了纳米压痕的数值模型，包含160000个C3D8R单元。模拟结果与实验测量在E₁₁
、E₂₂
和E₁₂
分量上表现出良好一致性，验证了实验方法的可靠性。虽然E₃₃
分量存在差异，但这主要归因于实验中的表面形貌效应。

这项研究的主要结论包括：首先，建立的模拟超分辨方法能够从低至256×256像素的EBSD图案中提取精确的应变信息，将数据需求降低两个数量级。其次，方法在Si(100)压痕模型中实现了10^-4
量级的测量精度，验证了技术的可靠性。最后，研究明确了应变类型判定的精度限制，为后续应用提供了重要参考标准。

该技术的创新价值体现在多个方面：在理论上，提出了参数超分辨的新概念，拓展了EBSD数据分析的理论框架；在方法学上，实现了模拟与实验的高效结合；在实际应用中，大幅降低了数据存储和处理需求。这些突破为工业环境中的高效材料表征提供了新思路，特别是在需要大规模采样的质量控制场景中具有显著优势。同时，研究建立的精度评估体系也为后续EBSD技术的发展提供了重要基准。