应用案例 | 电场控制晶体中位错运动

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近期，加拿大多伦多大学Yu Zou课题组与北京大学高鹏课题组、美国爱荷华州立大学Qi An课题组、加拿大达尔豪斯大学Penghao Xiao课题组合作，报道了利用电场控制位错运动，他们通过原位和原子尺度电镜表征结合理论计算揭示了电场控制位错运动的机制。该研究成果以“利用电场控制位错移动”（Harnessing dislocation motion using an electric field）为题，于6月19日发表在《自然-材料》（Nature Materials）。文章第一作者为多伦多大学博士生Mingqiang Li , 第二作者和第三作者分别是爱荷华州立大学博士生Yidi Shen和博士后Kun Luo。（论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01572-7）

位错是晶体中常见的线缺陷，对晶体材料的诸如力学、电学、光学等物理化学性质有着重要的影响。自从20世纪30年代位错理论建立以来，控制位错运动一直是材料科学研究的主题之一。通常认为位错移动需要应力来驱动，以往理论和实验都对应力加载下的位错动力行为进行了广泛和深入的研究。尽管也有研究发现温度、电场甚至光等是可以影响应力加载下的位错移动，但是通常认为应力仍然是驱动位错移动的关键因素，这在一定程度上也限制了晶体材料的加工和应用潜力。由于应力驱动的位错移动是经典位错理论的基石之一，因此很少期望仅仅通过一个非应力场来控制位错移动。

虽然非应力场下的位错移动受到的关注较少，但是仍然有一些探索。较早的研究可以追溯到20世纪60年代，研究者发现将离子晶体，比如MgO，NaCl等，放在一个高电场下之后，通过重复刻蚀的方法可以观察到晶体表面刻蚀坑的变化，而刻蚀坑通常是由位错引起，因此这些早期结果表明位错和电场之间可能存在相互作用。另外，在透射电子显微镜中高能电子束（比如~200 keV）的辐照下，研究人员也曾观察到位错偶尔会发生移动，但是这种运动通常比较随机而且难以控制。总之，可控的位错移动仍然是一个挑战，由于缺少直观的实验证据，位错在非应力场下动力学行为也一直不清楚。

近些年来原位电镜技术快速发展，使得直接观测微观结构在各种外场激励下的运动行为成为可能。比如利用各种原位TEM测试技术，可以借助TEM的高空间分辨率，直接观察到晶体微观结构，同时对样品施加电场或者应力等外场，观察微观结构对外场的响应。

近期，高鹏课题组与加拿大多伦多大学Yu Zou教授、美国爱荷华州立大学Qi An教授、加拿大达尔豪斯大学Penghao Xiao教授的课题组合作，利用安徽泽攸科技有限公司生产的原位电学TEM测量系统，并结合密度泛函理论计算，研究了晶体中位错在电场下的演化行为，实现了仅仅电场控制的位错运动。他们以半导体材料ZnS为例，图1展示了ZnS中电场驱动的位错运动。通过控制电场的大小和方向，就可以操控位错线的来回移动。比如当加载电压为正时，位错线向右侧运动。当加载电压为负时，位错线向左侧运动。这个结果为电场控制的位错移动提供了直接的实验证据。

图1. 电场驱动单个位错移动。（a）实验装置示意图，通过金属针尖对样品加载电压。（b）位错线的初始位置。（c）加载电压达到正102 V时，位错线运动到右侧位置。（d）加载电压达到负90 V时，位错线运动到左侧位置。

他们也对比了电场下不同位错类型的移动性。如图2所示，他们首先找到了30° 部分位错（位错B和D）和90° 部分位错（位错A，C和E）交替排列的区域。在外加电场下，30° 部分位错依赖电场方向来回移动，但是90° 部分位错在整个过程中没有移动。这个结果说明30° 部分位错在电场下的移动性比90° 部分位错更高。而且可以直接观察到电场下位错移动的特点，包括钉扎-去钉扎现象，以及kink传播过程。这个对比实验揭示了电场下位错移动性依赖位错类型，以及位错运动的特点。

图2. 30° 部分位错和90° 部分位错在电场下的移动性对比研究。取决于于电场方向，30° 部分位错（位错B和D）可来回移动，但是90° 部分位错（位错A，C和E）在整个过程中没有移动。

为了理解电场如何驱动位错移动，他们表征了位错核的原子结构，然后结合密度泛函理论计算分析了位错核的电子结构。图3a展示了一个典型30° S位错核的原子结构。较亮的圆斑对应的是Zn原子列，较暗的圆斑是S原子列。理论计算表明带负电的30° S位错比电中性状态更加稳定，因此实际样品中的位错很可能是带电的，位错核附近的电荷分布如图3b所示。这种带电位错使得电场可以通过Coulomb相互作用来控制位错运动。图3c展示了位错滑移势垒在带电状态以及在外加电场下的变化趋势。他们也分析了ZnS中另外三种类型的位错，发现电场都可以降低位错的滑移势垒，从而从能量角度解释了电场控制位错移动的机制。

图3. 位错原子结构以及滑移势垒分析。（a）30° S位错的原子结构图像。（b）外加负电荷在30° S位错附近的分布。（c）位错滑移势垒在带电状态和电场下的变化趋势。

这个工作实现了由纯的电场控制的位错运动，不仅为非应力场下位错的可运动性提供了直接的实验证据，也为调控位错相关的晶体性质提供了新的可能。然而需要指出，相比于应力场下的位错移动，非应力场下的位错移动研究还处于比较模糊的阶段。为了更好地理解非应力场下的位错动力学特点，需要更多深入和系统的探索。希望这个工作可以为相关方面的研究提供一些参考。论文共同通讯作者为Qi An、高鹏、Penghao Xiao、Yu Zou。研究工作也得到了北京大学电子显微镜实验室徐军、马秀梅、张敬民等老师在FIB制样和TEM表征方面的帮助，以及北京大学物理学院凝聚态所叶堉副教授和谷平凡在电学测量方面的帮助。上述研究工作部分得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心、轻元素量子材料交叉平台等支持。

原位电子显微镜表征解决方案推出PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案。下图为本研究成果中用到的原位透射电镜样品杆的渲染图：

感谢各位用户的一贯支持！特别感谢论文第一作者北京大学硕士毕业生、多伦多大学博士生李明强供稿。

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