又一顛覆新成果問鼎Nat. Mater：首次實現人為控制位錯運動

一、導讀

自從1930年位錯理論被提出以來，基于位錯調控的材料力學和功能材料一直是研究的熱點。對于金屬材料，為錯的運動使其發生塑性變形，從而可實現材料的壓縮，拉伸已經鍛造等成形。但是對于離子和共價鍵化合物，位錯的運動非常受限，不適合機械加工。位錯運動同時還決定半導體的壽命，晶體生長、固相轉變和應力誘導的晶體非晶化。因此操縱位錯的運動可以實現特定材料的研制或者功能開發，但目前國內外還不能實現。在電場作用下對堿鹵化物的早期研究報道了在堿鹵化物表面的光學顯微鏡觀察到新的蝕刻坑，表明位錯可能有電響應。然而，迄今為止，對電場作用下位錯運動的實時觀測很少有報道，相關的位錯動力學在很大程度上是未知的。由于最近的進展，原位透射電子顯微鏡(TEM)為觀察晶體缺陷和研究外部刺激下的位錯運動提供了機會。

二、成果掠影

近日，來自加拿大多倫多大學的鄒宇教授，北京大學物理學院的高鵬教授，美國愛荷華州立大學的安琪教授以及加拿大達爾豪斯大學的肖鵬昊教授強強聯合，展示了在單晶硫化鋅中通過外電場控制位錯運動的實時觀察，研究表明：位錯可以根據電場的方向來回移動。本紅做揭示了位錯核的非化學計量性質，并確定了它們的電荷特性。這項研究提供了位錯動力學由非機械刺激控制的直接證據，并開辟了調節位錯相關特性的可能性。相關成果以“Harnessing dislocation motion using an electric field”為題發表在國際材料頂級期刊Nature Materials上。

三、核心創新點

首次利用電場人工操縱位錯的運動，并揭示了位錯的電荷特性，開辟了調節位錯相關特性的可能性。

四、數據概覽

圖1 由外電場驅動的位錯運動；a, TEM實驗裝置示意圖。電壓V通過鎢尖施加到ZnS樣品上。ε是外加電場。ε_V+表示正電壓下的電場;ε_V?表示負電壓下的電場。b-d，明場TEM圖像顯示了施加可變電壓時位錯的位置。當電壓從0增加到102 V (c)時，標記點(黃色圓圈)向右移動61.3 nm(遠離尖端)，當電壓降低到-90 V (d)時，標記點向左移動13.5 nm(靠近尖端)。c和d中的虛線表示位錯運動前的位置。黃色箭頭表示位錯的運動方向。?2023 Springer Nature

圖2 30°和90°不全位錯在電場作用下的遷移率；a-f，明場TEM圖像和相應的原理圖顯示了實驗過程中不全位錯的位置:兩個30°(B和D，用黃色虛線表示)和三個90°(A, C和E，用黑色實線表示)。黃色箭頭表示位錯B和D上的標記點在正電壓(b,c)下向左移動，在負電壓(e,f)下向右移動。在整個實驗過程中，位錯A、C、E保持在初始位置。g，位錯D上標記點的外加電壓和位移隨時間的變化圖。箭頭表示在正電壓(V+，紅色區域)和負電壓(V -，黃色區域)下位錯運動的相反方向。h, a中兩個標記點的測量速度隨外加電壓的函數。位錯不動的電壓范圍用灰色表示。?2023 Springer Nature

圖3 ZnS中30°不全位錯的原子結構和電荷分布；a,b，沿位錯線方向觀察的30°S (a)和30°Zn (b)位錯芯原子分辨HAADF圖像。a和b中的Burgers回路，投影的Burgers向量b1和b2分別為a/12 \([11\bar{2}]\)和a/12 \([\bar{1}\bar{1}2]\)(這里，a為ZnS的晶格參數)，表明它們是30°不全位錯。白色虛線表示層錯的位置;虛線圈表示位錯的終止元素。c,d, 30°S位錯芯(c)和30°Zn位錯芯(d)的Zn - S鍵長分別對應于a和b中圈出的區域。e,f，通過DFT計算得到了帶電0.1h的30°S磁芯(e)和帶電0.1h的30°Zn磁芯(f, h為空穴電荷)的凈電荷分布(q)。藍色和紅色的云分別代表額外的電子和空穴。?2023 Springer Nature

圖4基于原子結構演化的位錯滑動勢壘；a - c, 30°S核心在滑動過程中的初始狀態、過渡狀態和最終狀態示意圖。圓形和矩形分別表示沿[110]和[111]軸觀察的核心位置。位錯核在初始狀態時位于0位置，在最終狀態時移動到1位置。黑色箭頭表示位錯的滑動方向。紅色箭頭表示位錯核周圍原子的運動方向。d，圖4a-c所對應的初始狀態、過渡狀態和最終狀態。箭頭指示錯位滑動的方向。初始狀態的能量設置為參考，用虛線表示。滑動勢壘ΔE是在位錯線單位長度的滑動路徑上，初始狀態和過渡狀態之間的能量差。e, 30°S不全位錯在不同電荷態和不同電場作用下的MEPs。f，中性態(紅色)、帶電態(青色)和帶電場的帶電態(藍色)四種部分位錯的滑動勢壘。?2023 Springer Nature

五、成果啟示

材料的宏觀性能取決于微觀結構，過去受限于表征裝置的缺乏，材料的微觀結構往往很難獲取。隨著科技的日益進步，通過操作位錯結構的重要元素實現宏觀力學和功能性能的定性定量控制指日可待。

論文詳情：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01572-7

本文由虛谷納物供稿。