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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)教授合作首次利用原位透射电镜观察到外加电场独立控制位错运动的行为（不外加应力），并结合密度泛函理论计算对其机理进行深入解释。该研究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，以“Harnessing dislocation motion using an electric field”为题，于2023年6月19日发表在Nature Materials。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。 文章链接： https://www./articles/s41563-023-01572-7
位错作为晶体中最常见的线缺陷对晶体材料的很多性能和应用有着重要的影响，比如力学性能，电学性能，光学性能，热学性能，以及相变等等。位错移动一直是材料科学研究的热点之一。大部分金属材料中的位错具有很好的移动性，因此金属材料通常表现出较好的塑性变形能力。但是共价晶体和离子晶体，比如大部分半导体，由于位错移动性较差，因而表现出很脆、易碎的特点，影响半导体材料及其器件的加工性、可靠性。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。比如研究发现温度，电场甚至光等可以影响应力加载下晶体中的位错移动，但是一直以来位错移动的主要驱动力仍然是应力。应力加载驱动的位错移动是经典位错理论的基石之一，因此很少有报道只通过一个非应力场来控制位错移动。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。 虽然非应力场下的位错移动受到的关注较少，但是仍然有一些研究进行了探索。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NaCl、KCl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材料表面刻蚀坑的变化，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。但是可控的位错移动仍然是一个挑战，而位错的动力学特点依旧隐藏在表面之下。利用透射电子显微镜的高空间分辨率，可以观察到单个位错，并且发现在高能电子束（~200
keV）的辐照下，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。因此非应力场可控的位错移动仍然是一个挑战，而对应的位错动力学特点依旧隐藏在表面之下。 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展示了ZnS中电场驱动的位错运动。可以看到位错线可以来回移动，受到外加电场的大小和方向控制。这种行为类似电场中的带电粒子移动。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的直接的证据。
该合作团队进一步对比了电场下不同位错类型的移动性。ZnS里面主要存在两种部分位错是30°部分位错和90°部分位错（图2以及表1）。位错核如果是Zn原子那么位错带正电荷，如果是S原子位错核带负电。
图2以及表1. 标定位错A-E in Fig. 2. 位错A, C和E为90度部分位错；B和D为30度部分位错。 如视频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，这种交替排列为对比位错的移动性提供了一个理想的平台。视频2展示了在外加电场下，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度部分位错在电场下的移动性比90°部分位错更高。而且视频2 展示了电场下位错移动的特点，包括钉扎-去钉扎现象，以及kink传播过程都可以清楚地观察到。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。
视频2. 30°部分位错和90°部分位错在电场下的移动性对比研究。30°部分位错（位错B和D）依赖电场方向来回移动，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，该研究团队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（带负电）。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，发现电场不仅可以驱动位错移动，并且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。
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。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。 相关课题组主页： 加拿大多伦多大学邹宇教授课题组：https://mse./faculty-staff/professors/zou-yu/ 北京大学物理学院高鹏教授课题组：https://icqm.pku.edu.cn/rydw/jzyg/236937.htm 美国爱荷华州立大学安琪教授课题组：https://faculty.sites./qan/ 加拿大达尔豪斯大学肖鹏昊教授课题组：https://www./faculty/science/physics/faculty-staff/Faculty/PenghaoXiao.html *感谢论文作者团队对本文的大力支持。 |
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