又一颠覆新成果问鼎Nat. Mater：首次实现人为控制位错运动

一、导读

自从1930年位错理论被提出以来，基于位错调控的材料力学和功能材料一直是研究的热点。对于金属材料，为错的运动使其发生塑性变形，从而可实现材料的压缩，拉伸已经锻造等成形。但是对于离子和共价键化合物，位错的运动非常受限，不适合机械加工。位错运动同时还决定半导体的寿命，晶体生长、固相转变和应力诱导的晶体非晶化。因此操纵位错的运动可以实现特定材料的研制或者功能开发，但目前国内外还不能实现。在电场作用下对碱卤化物的早期研究报道了在碱卤化物表面的光学显微镜观察到新的蚀刻坑，表明位错可能有电响应。然而，迄今为止，对电场作用下位错运动的实时观测很少有报道，相关的位错动力学在很大程度上是未知的。由于最近的进展，原位透射电子显微镜(TEM)为观察晶体缺陷和研究外部刺激下的位错运动提供了机会。

二、成果掠影

近日，来自加拿大多伦多大学的邹宇教授，北京大学物理学院的高鹏教授，美国爱荷华州立大学的安琪教授以及加拿大达尔豪斯大学的肖鹏昊教授强强联合，展示了在单晶硫化锌中通过外电场控制位错运动的实时观察，研究表明：位错可以根据电场的方向来回移动。本红做揭示了位错核的非化学计量性质，并确定了它们的电荷特性。这项研究提供了位错动力学由非机械刺激控制的直接证据，并开辟了调节位错相关特性的可能性。相关成果以“Harnessing dislocation motion using an electric field”为题发表在国际材料顶级期刊Nature Materials上。

三、核心创新点

首次利用电场人工操纵位错的运动，并揭示了位错的电荷特性，开辟了调节位错相关特性的可能性。

四、数据概览

图1 由外电场驱动的位错运动；a, TEM实验装置示意图。电压V通过钨尖施加到ZnS样品上。ε是外加电场。ε_V+表示正电压下的电场;ε_V−表示负电压下的电场。b-d，明场TEM图像显示了施加可变电压时位错的位置。当电压从0增加到102 V (c)时，标记点(黄色圆圈)向右移动61.3 nm(远离尖端)，当电压降低到-90 V (d)时，标记点向左移动13.5 nm(靠近尖端)。c和d中的虚线表示位错运动前的位置。黄色箭头表示位错的运动方向。©2023 Springer Nature

图2 30°和90°不全位错在电场作用下的迁移率；a-f，明场TEM图像和相应的原理图显示了实验过程中不全位错的位置:两个30°(B和D，用黄色虚线表示)和三个90°(A, C和E，用黑色实线表示)。黄色箭头表示位错B和D上的标记点在正电压(b,c)下向左移动，在负电压(e,f)下向右移动。在整个实验过程中，位错A、C、E保持在初始位置。g，位错D上标记点的外加电压和位移随时间的变化图。箭头表示在正电压(V+，红色区域)和负电压(V -，黄色区域)下位错运动的相反方向。h, a中两个标记点的测量速度随外加电压的函数。位错不动的电压范围用灰色表示。©2023 Springer Nature

图3 ZnS中30°不全位错的原子结构和电荷分布；a,b，沿位错线方向观察的30°S (a)和30°Zn (b)位错芯原子分辨HAADF图像。a和b中的Burgers回路，投影的Burgers向量b1和b2分别为a/12 \([11\bar{2}]\)和a/12 \([\bar{1}\bar{1}2]\)(这里，a为ZnS的晶格参数)，表明它们是30°不全位错。白色虚线表示层错的位置;虚线圈表示位错的终止元素。c,d, 30°S位错芯(c)和30°Zn位错芯(d)的Zn - S键长分别对应于a和b中圈出的区域。e,f，通过DFT计算得到了带电0.1h的30°S磁芯(e)和带电0.1h的30°Zn磁芯(f, h为空穴电荷)的净电荷分布(q)。蓝色和红色的云分别代表额外的电子和空穴。©2023 Springer Nature

图4基于原子结构演化的位错滑动势垒；a - c, 30°S核心在滑动过程中的初始状态、过渡状态和最终状态示意图。圆形和矩形分别表示沿[110]和[111]轴观察的核心位置。位错核在初始状态时位于0位置，在最终状态时移动到1位置。黑色箭头表示位错的滑动方向。红色箭头表示位错核周围原子的运动方向。d，图4a-c所对应的初始状态、过渡状态和最终状态。箭头指示错位滑动的方向。初始状态的能量设置为参考，用虚线表示。滑动势垒ΔE是在位错线单位长度的滑动路径上，初始状态和过渡状态之间的能量差。e, 30°S不全位错在不同电荷态和不同电场作用下的MEPs。f，中性态(红色)、带电态(青色)和带电场的带电态(蓝色)四种部分位错的滑动势垒。©2023 Springer Nature

五、成果启示

材料的宏观性能取决于微观结构，过去受限于表征装置的缺乏，材料的微观结构往往很难获取。随着科技的日益进步，通过操作位错结构的重要元素实现宏观力学和功能性能的定性定量控制指日可待。

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01572-7

本文由虚谷纳物供稿。