近期，加拿大多倫多大學(xué)Yu Zou課題組與北京大學(xué)高鵬課題組、美國愛荷華州立大學(xué)Qi An課題組、加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)Penghao Xiao課題組合作，報(bào)道了利用電場控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，他們通過原位和原子尺度電鏡表征結(jié)合理論計(jì)算揭示了電場控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。該研究成果以“利用電場控制位錯(cuò)移動(dòng)"（Harnessing dislocation motion using an electric field）為題，于6月19日發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）。

位錯(cuò)是晶體中常見的線缺陷，對(duì)晶體材料的諸如力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等物理化學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。自從20世紀(jì)30年代位錯(cuò)理論建立以來，控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一直是材料科學(xué)研究的主題之一。通常認(rèn)為位錯(cuò)移動(dòng)需要應(yīng)力來驅(qū)動(dòng)，以往理論和實(shí)驗(yàn)都對(duì)應(yīng)力加載下的位錯(cuò)動(dòng)力行為進(jìn)行了廣泛和深入的研究。盡管也有研究發(fā)現(xiàn)溫度、電場甚至光等是可以影響應(yīng)力加載下的位錯(cuò)移動(dòng)，但是通常認(rèn)為應(yīng)力仍然是驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)的關(guān)鍵因素，這在一定程度上也限制了晶體材料的加工和應(yīng)用潛力。由于應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的位錯(cuò)移動(dòng)是經(jīng)典位錯(cuò)理論的基石之一，因此很少期望僅僅通過一個(gè)非應(yīng)力場來控制位錯(cuò)移動(dòng)。

雖然非應(yīng)力場下的位錯(cuò)移動(dòng)受到的關(guān)注較少，但是仍然有一些探索。較早的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代，研究者發(fā)現(xiàn)將離子晶體，比如MgO，NaCl等，放在一個(gè)高電場下之后，通過重復(fù)刻蝕的方法可以觀察到晶體表面刻蝕坑的變化，而刻蝕坑通常是由位錯(cuò)引起，因此這些早期結(jié)果表明位錯(cuò)和電場之間可能存在相互作用。另外，在透射電子顯微鏡中高能電子束（比如~200 keV）的輻照下，研究人員也曾觀察到位錯(cuò)偶爾會(huì)發(fā)生移動(dòng)，但是這種運(yùn)動(dòng)通常比較隨機(jī)而且難以控制?？傊?，可控的位錯(cuò)移動(dòng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，由于缺少直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，位錯(cuò)在非應(yīng)力場下動(dòng)力學(xué)行為也一直不清楚。

近些年來原位電鏡技術(shù)快速發(fā)展，使得直接觀測微觀結(jié)構(gòu)在各種外場激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)行為成為可能。比如利用各種原位TEM測試技術(shù)，可以借助TEM的高空間分辨率，直接觀察到晶體微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)樣品施加電場或者應(yīng)力等外場，觀察微觀結(jié)構(gòu)對(duì)外場的響應(yīng)。

近期，高鵬課題組與加拿大多倫多大學(xué)Yu Zou教授、美國愛荷華州立大學(xué)Qi An教授、加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)Penghao Xiao教授的課題組合作，利用安徽澤攸科技有限公司生產(chǎn)的原位電學(xué)TEM測量系統(tǒng)，并結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，研究了晶體中位錯(cuò)在電場下的演化行為，實(shí)現(xiàn)了僅僅電場控制的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。他們以半導(dǎo)體材料ZnS為例，圖1展示了ZnS中電場驅(qū)動(dòng)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。通過控制電場的大小和方向，就可以操控位錯(cuò)線的來回移動(dòng)。比如當(dāng)加載電壓為正時(shí)，位錯(cuò)線向右側(cè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加載電壓為負(fù)時(shí)，位錯(cuò)線向左側(cè)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)結(jié)果為電場控制的位錯(cuò)移動(dòng)提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖1. 電場驅(qū)動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)移動(dòng)。（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，通過金屬針尖對(duì)樣品加載電壓。（b）位錯(cuò)線的初始位置。（c）加載電壓達(dá)到正102 V時(shí)，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)到右側(cè)位置。（d）加載電壓達(dá)到負(fù)90 V時(shí)，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)到左側(cè)位置。

他們也對(duì)比了電場下不同位錯(cuò)類型的移動(dòng)性。如圖2所示，他們首先找到了30° 部分位錯(cuò)（位錯(cuò)B和D）和90° 部分位錯(cuò)（位錯(cuò)A，C和E）交替排列的區(qū)域。在外加電場下，30° 部分位錯(cuò)依賴電場方向來回移動(dòng)，但是90° 部分位錯(cuò)在整個(gè)過程中沒有移動(dòng)。這個(gè)結(jié)果說明30° 部分位錯(cuò)在電場下的移動(dòng)性比90° 部分位錯(cuò)更高。而且可以直接觀察到電場下位錯(cuò)移動(dòng)的特點(diǎn)，包括釘扎-去釘扎現(xiàn)象，以及kink傳播過程。這個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)揭示了電場下位錯(cuò)移動(dòng)性依賴位錯(cuò)類型，以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

圖2. 30° 部分位錯(cuò)和90° 部分位錯(cuò)在電場下的移動(dòng)性對(duì)比研究。取決于于電場方向，30° 部分位錯(cuò)（位錯(cuò)B和D）可來回移動(dòng)，但是90° 部分位錯(cuò)（位錯(cuò)A，C和E）在整個(gè)過程中沒有移動(dòng)。

為了理解電場如何驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)，他們表征了位錯(cuò)核的原子結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合密度泛函理論計(jì)算分析了位錯(cuò)核的電子結(jié)構(gòu)。圖3a展示了一個(gè)典型30° S位錯(cuò)核的原子結(jié)構(gòu)。較亮的圓斑對(duì)應(yīng)的是Zn原子列，較暗的圓斑是S原子列。理論計(jì)算表明帶負(fù)電的30° S位錯(cuò)比電中性狀態(tài)更加穩(wěn)定，因此實(shí)際樣品中的位錯(cuò)很可能是帶電的，位錯(cuò)核附近的電荷分布如圖3b所示。這種帶電位錯(cuò)使得電場可以通過Coulomb相互作用來控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。圖3c展示了位錯(cuò)滑移勢壘在帶電狀態(tài)以及在外加電場下的變化趨勢。他們也分析了ZnS中另外三種類型的位錯(cuò)，發(fā)現(xiàn)電場都可以降低位錯(cuò)的滑移勢壘，從而從能量角度解釋了電場控制位錯(cuò)移動(dòng)的機(jī)制。

圖3. 位錯(cuò)原子結(jié)構(gòu)以及滑移勢壘分析。（a）30° S位錯(cuò)的原子結(jié)構(gòu)圖像。（b）外加負(fù)電荷在30° S位錯(cuò)附近的分布。（c）位錯(cuò)滑移勢壘在帶電狀態(tài)和電場下的變化趨勢。

這個(gè)工作實(shí)現(xiàn)了由純的電場控制的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，不僅為非應(yīng)力場下位錯(cuò)的可運(yùn)動(dòng)性提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也為調(diào)控位錯(cuò)相關(guān)的晶體性質(zhì)提供了新的可能。然而需要指出，相比于應(yīng)力場下的位錯(cuò)移動(dòng)，非應(yīng)力場下的位錯(cuò)移動(dòng)研究還處于比較模糊的階段。為了更好地理解非應(yīng)力場下的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，需要更多深入和系統(tǒng)的探索。希望這個(gè)工作可以為相關(guān)方面的研究提供一些參考。論文共同通訊作者為Qi An、高鵬、Penghao Xiao、Yu Zou。研究工作也得到了北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室徐軍、馬秀梅、張敬民等老師在FIB制樣和TEM表征方面的幫助，以及北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)所葉堉副教授和谷平凡在電學(xué)測量方面的幫助。上述研究工作部分得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、輕元素量子材料交叉平臺(tái)等支持。

安徽澤攸科技有限公司作為中國本土的精密儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的*流供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為本研究成果中用到的原位透射電鏡樣品桿的渲染圖：