金属所Nature子刊: 位错——可有效调控材料物理特性的新组元

【引言】

应变(尤其是非均匀应变)能够对特定材料结构实施梯度化调节，从而调控甚至诱导产生母体材料所不具备的全新物理特性。但是，非均匀弹性应变通常很难集成在特定器件上，其主要困难在于由非均匀弹性应变产生的“向错”具有非常高的应变能，难以稳定存在。如何突破“向错”应变的能量壁垒，实现对非均匀弹性应变在材料元器件中的有效调控，进而制备具有大范围响应特性的梯度功能材料，是当今先进功能材料领域面临的一个重大基础性科学难题。

【成果简介】

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室马秀良研究员、朱银莲研究员、唐云龙博士、刘颖博士和王宇佳博士等人组成的材料界面电子显微学研究团队，利用高通量脉冲激光沉积技术，通过调控异质界面位错的柏氏矢量，成功构筑出具有巨大线性应变梯度、超低弹性能以及特殊物理特性的功能氧化物纳米结构。2017年6月30日，英国《自然·通讯》(Nature Communications)期刊在线发表了该项研究成果。

金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室的固体原子像界面结构研究团队长期致力于材料基础科学问题的电子显微学研究，经过多年的学术积累，在解决上述基础科学难题方面近来取得突破。他们在利用脉冲激光沉积技术生长氧化物异质界面过程中，采用高通量模式，使BiFeO₃/LaAlO₃(001)界面产生新奇的、具有面外分量的a[011]刃型位错阵列。像差校正电子显微分析表明，这种新型位错阵列具有晶格旋转效应（类似弹性弯曲变形），使BiFeO₃纳米结构中产生高达10⁶/m的线性应变梯度。这种巨大的线性应变梯度通过弯电效应产生了数兆伏/m的内建电场（与传统半导体p-n结或肖特基结的内电场相当），同时也大幅度拓宽了BiFeO₃纳米结构的可见光吸收范围。这表明巨大的线性应变梯度可实现对带隙的连续调控，进而影响光电响应特性，增强其光催化特性等。

该项研究结果显示，“向错”的弹性能随尺度的变化具有很强的非线性特征，体现出巨大的尺寸效应。理论计算表明在纳米尺度的BiFeO₃/LaAlO₃体系中，即便其弹性应变梯度超过10⁶/m，该体系的弹性能低至不及均匀应变下弹性能的十分之一，甚至低于界面失配位错阵列本身的能量。

位错是材料科学中的核心概念之一。该项工作改变了人们对功能材料中有关位错作用的传统认识：位错未必是一定导致某些物理特性降低的结构缺陷，而是能被用来有效调控甚至产生优异物理特性的新组元。该项研究提供了如何利用位错的特性构筑具有连续带隙变化的梯度功能材料的概念、原理及方法。（该项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目、科技部973计划以及金属所葛庭燧奖研金等项目资助）。

【图文导读】

图1：LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)纳米结构沿[100]的HAADF-STEM成像

(a)原子分辨率HAADF-STEM成像；四处典型矩形区域标号为1,2,3和4。

(b)-(d)分别为对应1,2,3和4号矩形区域的放大像。注意(b)和(c)之间的相对晶格旋转，表明BiFeO₃纳米结构中可能存在沿面内方向的连续晶格旋转。粉色和绿色箭头分别示意两类不同伯氏矢量的位错，其位错核心区域如(d)和(e)所示。

图2：双层LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)纳米结构中的晶格旋转和面内应变

(a)LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)纳米结构中晶格旋转(ω)和(b)面内应变(εxx)的二维分布。

(c)对应(a)中的三处白色矩形区域沿面内方向晶格旋转线分布。

(d)对应(b)中的白色矩形沿面外方向应变线分布。注意BiFeO₃和LaAlO₃中都产生了明显的晶格旋转；同时还产生了沿面外方向的线性应变梯度，可达10⁶/m。

图3：BiFeO₃/LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)纳米结构中的连续应变梯度

(a)BiFeO₃/LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)纳米结构中晶格旋转(ω)和(b)面内应变(εxx)的二维分布。

(c)对应(b)中的白色矩形沿面外方向应变线分布。注意在整个BiFeO₃/LaAlO₃/BiFeO₃三层纳米结构中都产生了明显的晶格旋转及其伴随的沿面外方向的线性应变梯度；除了第一层BiFeO₃/LaAlO₃(001)由高通量沉积制备的界面，其它界面都只有弛豫失配应变的a[010]位错，没有弛豫晶格旋转的a[011]位错，从而使得线性应变梯度能够在整个三层纳米结构中得到保持。

(d)为在循环BiFeO₃/LaAlO₃纳米结构中保持这种线性应变梯度的原理示意图。

图4：BiFeO₃纳米“向错”弹性能计算及其与均匀应变状态下的比较

(a)均匀应变和应变梯度下同样尺寸BiFeO₃纳米结构弹性能随厚度变化趋势。曲线1为应变梯度下BiFeO₃纳米结构的弹性能；曲线2为BiFeO₃/LaAlO₃界面失配位错阵列的弹性能；曲线3为界面失配位错阵列的弹性能和应变梯度弹性能的加和，即3=1+2；曲线4为BiFeO₃纳米结构在均匀失配应变下的弹性能。值得注意的是，和均匀应变下弹性能相比，应变梯度下BiFeO₃纳米结构的弹性能在50nm厚度范围内几乎可以忽略不计。

(b)为BiFeO₃/LaAlO₃纳米结构中由a[001]面外分量产生向错的示意图。

(c)和(d)分别为应变梯度下和均匀应变下BiFeO₃纳米结构应变能随薄膜厚度和中性面或失配应变大小的演化规律。可以看出，在大失配体系下，如BiFeO₃/LaAlO₃体系，其向错应变梯度引起的弹性能在纳米尺度范围内远远小于均匀失配应变导致的弹性能。

文献链接：Giant linear strain gradient with extremely low elastic energy in a perovskite nanostructure array (Nature Communications, 2017, doi:10.1038/ncomms15994)

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