今日Nat. Mater.：电场控制位错运动！

2023-06-20 03:06

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位错和位错运动是材料学、固体力学、凝聚态物理中的一个重要课题。位错运动对晶体的很多性能和表现有着重要的影响，比如力学性能，电学性能，光学性能，热学性能，相变等等。自20世纪30年代位错理论被提出以来，普遍认为位错移动需要受到应力驱动，并且从理论和实验上对应力加载下的位错动力学进行了广泛和深入的研究。但是驱动位错移动最主要的是外加应力，很少有报道只通过一个非应力场来控制位错移动。在1950-1980年有很多人做过离子晶体的电塑性问题——比如材料在应力下再加一个非常的大的电场下（几千伏的电压加到几毫米厚的材料上）材料的强度会小幅降低、塑性会提高。但是目前为止没有真正直接观察到单独用电场（不加应力的情况下）直接让位错运动和材料变形的，也没有高分辨的图像提供带电位错证据，所以具体机理也并不是很清楚。由于缺少直观的实验证据，位错在非应力场下动力学特点也不清楚。

2023年6月19日发表在Nature Materials的一篇题为 “Harnessing dislocation motion using an electric field” 报道了加拿大多伦多大学材料科学与工程系邹宇 (Yu Zou) 教授课题组与北京大学物理学院高鹏教授、美国爱荷华州立大学安琪 (Qi An) 教授、加拿大达尔豪斯大学肖鹏昊 (Penghao Xiao) 教授合作的最新工作。这项研究实现了仅仅通过外加电场控制的位错移动（不外加应力），为非应力场下的位错动力学提供了新的认识和最直接实验证据。该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。

在这篇文章中，该合作团队利用以单晶半导体材料硫化锌ZnS为例作为研究对象（图1），观察到位错线可以来回移动，受到外加电场的大小和方向控制（图2、视频2）。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的直接的证据。

图1. 实验中所用的单晶硫化锌ZnS和结构表征。

图2. 电场驱动单个位错移动。（a）实验装置示意图，通过金属针尖加载电压。（b）位错线的初始位置。（c）加载电压达到102 V时，位错线向右运动。（d）加载电压达到-90 V时，位错线向左运动。位错线往复运动，受到外加电场的大小和方向控制。

视频2. 原位透射电镜观测位错在电场下往复运动受到外加电场的大小和方向控制。

该团队基于离子晶体带电位错理论解释了电场如何驱动位错移动。他们通过直接成像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展示了一个位错核的原子结构。较亮的圆斑是Zn原子列，较暗的圆斑是S原子列。通过测量伯氏矢量，他们确定这是一个30° S位错（ZnS中的一种部分位错）。理论计算表明带负电的30° S位错比电中性状态更加稳定，因此认为ZnS中的位错是带电的。图3b展示了外加电荷（e^-）在位错核附近的分布。这种带电位错使得电场可以通过库仑力相互作用调控位错。图3c展示了位错在带电状态以及在外加电场下的滑移势垒变化趋势。他们也分析了ZnS中另外三种类型的位错，发现电场可以降低位错的滑移势垒。这个降低的滑移势垒从能量角度解释了电场控制位错移动的机制。

另外，该团队还排除了其他影响因素，比如焦耳热、电子风力和电子束辐照。在加电场但是关闭电子束的情况下，仍然可以看到位错移动（图4）

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。

图4.在电子束关闭的情况下外加电场仍然可以驱动位错移动

视频1. 原位透射电镜观测位错在电场下往复运动，受到外加电场的大小和方向控制。

这篇文章的亮点包括以下几个方面：

直接观察到新的实验现象：该研究工作利用原位透射电镜在没有外力的情况下观察到外加电场驱动位错移动，位错可以随着电场方向变化往复运动。
对电场下位错动力学新的理解: 该研究工作清晰的表征了带电位错核结构，并且利用密度泛函理论解释了电核和外加电场不仅提供位错移动的驱动力，并且降低了位错移动的能垒。该工作还排除了焦耳热、电子风力、和电子束对于位错移动的主要影响。
潜在应用:这个工作实现了电场控制的位错移动。不仅为电场下位错动力学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，比如仅仅通过电场让材料塑性变形加工，通过电场去除半导体材料里的位错缺陷。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材料缺陷的多场耦合相关方面的基础研究提供一些参考，以及半导体领域的加工和缺陷控制提供理论和实验上的依据。