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 近期，加拿大多倫多大學Yu Zou課題組與北京大學高鵬課題組、美國愛荷華州立大學Qi An課題組、加拿大達爾豪斯大學Penghao Xiao課題組合作，報道了利用電場控制位錯運動，他們通過原位和原子尺度電鏡表征結合理論計算揭示了電場控制位錯運動的機制。該研究成果以“利用電場控制位錯移動”（Harnessing dislocation motion using an electric field）為題，于6月19日發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）。文章第一作者為多倫多大學博士生Mingqiang Li , 第二作者和第三作者分別是愛荷華州立大學博士生Yidi Shen和博士后Kun Luo。

 位錯是晶體中常見的線缺陷，對晶體材料的諸如力學、電學、光學等物理化學性質有著重要的影響。自從20世紀30年代位錯理論建立以來，控制位錯運動一直是材料科學研究的主題之一。通常認為位錯移動需要應力來驅動，以往理論和實驗都對應力加載下的位錯動力行為進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力加載下的位錯移動，但是通常認為應力仍然是驅動位錯移動的關鍵因素，這在一定程度上也限制了晶體材料的加工和應用潛力。由于應力驅動的位錯移動是經典位錯理論的基石之一，因此很少期望僅僅通過一個非應力場來控制位錯移動。

 雖然非應力場下的位錯移動受到的關注較少，但是仍然有一些探索。較早的研究可以追溯到20世紀60年代，研究者發(fā)現(xiàn)將離子晶體，比如MgO，NaCl等，放在一個高電場下之后，通過重復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引起，因此這些早期結果表明位錯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偶爾會發(fā)生移動，但是這種運動通常比較隨機而且難以控制?？傊?，可控的位錯移動仍然是一個挑戰(zhàn)，由于缺少直觀的實驗證據(jù)，位錯在非應力場下動力學行為也一直不清楚。

 近些年來原位電鏡技術快速發(fā)展，使得直接觀測微觀結構在各種外場激勵下的運動行為成為可能。比如利用各種原位TEM測試技術，可以借助TEM的高空間分辨率，直接觀察到晶體微觀結構，同時對樣品施加電場或者應力等外場，觀察微觀結構對外場的響應。

 近期，高鵬課題組與加拿大多倫多大學Yu Zou教授、美國愛荷華州立大學Qi An教授、加拿大達爾豪斯大學Penghao Xiao教授的課題組合作，利用安徽澤攸科技有限公司生產的原位電學TEM測量系統(tǒng)，并結合密度泛函理論計算，研究了晶體中位錯在電場下的演化行為，實現(xiàn)了僅僅電場控制的位錯運動。他們以半導體材料ZnS為例，圖1展示了ZnS中電場驅動的位錯運動。通過控制電場的大小和方向，就可以操控位錯線的來回移動。比如當加載電壓為正時，位錯線向右側運動。當加載電壓為負時，位錯線向左側運動。這個結果為電場控制的位錯移動提供了直接的實驗證據(jù)。

圖1. 電場驅動單個位錯移動。（a）實驗裝置示意圖，通過金屬針尖對樣品加載電壓。（b）位錯線的初始位置。（c）加載電壓達到正102 V時，位錯線運動到右側位置。（d）加載電壓達到負90 V時，位錯線運動到左側位置。

他們也對比了電場下不同位錯類型的移動性。如圖2所示，他們首先找到了30° 部分位錯（位錯B和D）和90° 部分位錯（位錯A，C和E）交替排列的區(qū)域。在外加電場下，30° 部分位錯依賴電場方向來回移動，但是90° 部分位錯在整個過程中沒有移動。這個結果說明30° 部分位錯在電場下的移動性比90° 部分位錯更高。而且可以直接觀察到電場下位錯移動的特點，包括釘扎-去釘扎現(xiàn)象，以及kink傳播過程。這個對比實驗揭示了電場下位錯移動性依賴位錯類型，以及位錯運動的特點。

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

為了理解電場如何驅動位錯移動，他們表征了位錯核的原子結構，然后結合密度泛函理論計算分析了位錯核的電子結構。圖3a展示了一個典型30° S位錯核的原子結構。較亮的圓斑對應的是Zn原子列，較暗的圓斑是S原子列。理論計算表明帶負電的30° S位錯比電中性狀態(tài)更加穩(wěn)定，因此實際樣品中的位錯很可能是帶電的，位錯核附近的電荷分布如圖3b所示。這種帶電位錯使得電場可以通過Coulomb相互作用來控制位錯運動。圖3c展示了位錯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，發(fā)現(xiàn)電場都可以降低位錯的滑移勢壘，從而從能量角度解釋了電場控制位錯移動的機制。

圖3. 位錯原子結構以及滑移勢壘分析。（a）30° S位錯的原子結構圖像。（b）外加負電荷在30° S位錯附近的分布。（c）位錯滑移勢壘在帶電狀態(tài)和電場下的變化趨勢。

這個工作實現(xiàn)了由純的電場控制的位錯運動，不僅為非應力場下位錯的可運動性提供了直接的實驗證據(jù)，也為調控位錯相關的晶體性質提供了新的可能。然而需要指出，相比于應力場下的位錯移動，非應力場下的位錯移動研究還處于比較模糊的階段。為了更好地理解非應力場下的位錯動力學特點，需要更多深入和系統(tǒng)的探索。希望這個工作可以為相關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電子顯微鏡實驗室徐軍、馬秀梅、張敬民等老師在FIB制樣和TEM表征方面的幫助，以及北京大學物理學院凝聚態(tài)所葉堉副教授和谷平凡在電學測量方面的幫助。上述研究工作部分得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心、輕元素量子材料交叉平臺等支持。

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一流供應商，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)為國內外用戶的重磅研究成果提供了技術支持。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：

感謝各位用戶的一貫支持！特別感謝論文第一作者北京大學碩士畢業(yè)生、多倫多大學博士生李明強供稿。

安徽澤攸科技有限公司是一家具有完全自主知識產權的科學儀器公司， 自20世紀90年代開始投入電鏡及相關附件研發(fā)以來，研發(fā)團隊一直致力于為納米科學研究提供優(yōu)秀的儀器。目前，公司有包括PicoFemto系列原位TEM測量系統(tǒng)、原位SEM測量系統(tǒng)、ZEM系列臺式掃描電鏡、JS系列臺階儀、納米位移臺、二維材料轉移臺、探針臺及低溫系統(tǒng)、光柵尺等在內的多個產品線，在國內外均獲得了高度關注，填補了國家在科學精密儀器領域的諸多空白。