加拿大多伦多大学材料科学与工程系的Yu Zou教授与北京大学物理学学院的高彭教授，爱荷华州立大学的Qi AN教授和彭霍小教授与美国达尔霍斯大学的彭霍小教授合作，这是在美国达尔豪斯教授的启动，这是在美国达尔豪斯教授的第一次，以观察到外部电动电动机，以观察到独立于行为的行为，该行为是行动的行为，该行为是由行为构成行为的行为。并结合密度功能理论计算，以提供其机制的深入解释。这项研究提供了新的理解和最直接的实验证据，证明了非压力场下的脱位动态。它于2023年6月19日在自然材料中发表，标题为“使用电场的脱位运动”。该文章的第一作者是多伦多大学的博士生Mingqiang Li，第二和第三作者是爱荷华州立大学的博士生Yidi Shen和Kun Luo的博士后学生Kun Luo。

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位错是晶体中最常见的线性缺陷，对晶体材料的许多特性和应用都有重要影响，例如机械性能，电性能，光学性质，热性质和相变。脱位运动一直是材料科学研究的热门话题之一。大多数金属材料中的位错具有良好的迁移率，因此金属材料通常具有良好的塑性变形能力。然而，由于位错迁移率差，共价晶体和离子晶体（例如大多数半导体）表现出非常脆弱和脆弱的，这会影响半导体材料及其设备的加工性和可靠性。由于错位理论是在1930年代提出的，因此人们普遍认为，位错运动需要由压力驱动，并且在压力负荷下对脱位动力学进行了理论和实验性进行广泛而深入的研究。例如，研究发现，温度，电场甚至光线可能会影响压力负荷下晶体中的脱位运动，但是脱位运动的主要驱动力一直是压力。压力负载驱动的脱位运动是经典错位理论的基石之一，因此很少有报道仅通过一个非压力场来控制错位运动。由于缺乏直观的实验证据，因此尚不清楚非压力场下位错的动态特征。

尽管在非压力领域下的脱位运动受到了较少的关注，但已经探讨了一些研究。早期的研究可以追溯到1960年代。研究人员发现，将离子晶体（例如NaCl，KCl等）放置在高电场下后，可以通过重复的蚀刻方法观察材料表面蚀刻坑的变化，并且蚀刻坑通常是由位错引起的。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。但是可控位错运动仍然是一个挑战，位错的动态特征仍然隐藏在表面下。使用透射电子显微镜的高空间分辨率，可以观察到个体位错，发现脱位偶尔在高能电子束（〜200 keV）下移动，但这种运动通常相对随机且难以控制。因此，非压力场的可控位错运动仍然是一个挑战，而相应的脱位动力学仍然隐藏在表面下。

合作团队以研究对象为例，以单晶半导体材料锌锌锌为例。图1显示了由Zns中电场驱动的位错运动。您会看到，位错线可以来回移动，并由施加的电场的大小和方向控制。这种行为类似于电场中带电颗粒的运动。例如，当加载电压为正时，位错线向右移动。当负载电压为负时，位错线向左移动。该结果为由电场控制的位错运动提供了直接证据。

图1。电场驱动单个脱位运动。 （a）实验装置的示意图，通过金属针尖的电压载荷。 （b）位错线的初始位置。 （c）当加载电压达到102 V时，位错线向右移动。 （d）当加载电压达到-90 V时，位错线向左移动。位错线路往复，并由施加的电场的大小和方向控制。

视频1。原位传输电子显微镜观察到电场下位错的往复运动，该运动由施加的电场的大小和方向控制。

协作团队进一步比较了电场下不同脱位类型的移动性。 Zns中有两个主要部分位错，30°部分位错和90°部分位错（图2和表1）。如果位错核是锌原子，则位错为正电荷，如果脱位核为负电荷。

图2和表1。图2中的统计错位AE。位错A，C和E是90度的部分位错。 B和D是30度的部分位错。

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，这为比较位错的迁移率提供了理想的平台。视频2显示，在应用的电场下，30°部分位错取决于电场方向的来回移动，但是90°部分脱位不会在整个过程中移动。该结果表明，电场下30度部分位错的迁移率高于90度部分位错的迁移率。此外，视频2显示了电场下位错运动的特征，包括固定定位现象和可以清楚地观察到的扭结传播过程。该比较实验揭示了电场下的脱位迁移率依赖性脱位类型和错位运动的特征。

视频2。关于30°部分脱位和90°部分位错下迁移率的比较研究。 30°部分脱位（位错B和D）根据电场方向来回移动，但是90°部分脱位（位错A，C和E）在整个过程中不会移动。

为了了解电场如何驱动位错运动，研究团队通过直接成像表征了位错核的原子结构，然后分析了位错核心的电子结构，并结合密度功能理论计算。图3a显示了位错核的原子结构。更明亮的圆形斑点是Zn原子柱，较暗的圆形斑点是S原子柱。通过测量伯克利载体，他们确定这是30°S的脱位（带负电荷）。理论计算表明，带负电荷的30°S脱位比电气中性状态更稳定，因此ZNS中的位错被认为是充电的。图3b显示了位错核附近所施加的电荷（E-）的分布。该电位错使电场通过库仑力相互作用来调节位错。图3C显示了带电状态和应用电场下位错的滑动屏障变化的趋势。他们还分析了Zns中其他三种脱位，发现电场不仅可以驱动位错运动，还可以减少位错的滑动屏障。减少的滑动屏障解释了电场从能量角度控制脱位运动的机制。

图3。脱位原子结构和滑动屏障分析。 （a）30°S位错的原子结构图像。 （b）在30°S位错附近的添加负电荷的分布。 （c）在充电状态和电场中改变脱位屏障的趋势。

这项工作实现了由电场控制的错位运动。它不仅为电场下位错动力学的动力学提供了直接的实验证据，而且还提供了调节与位错相关晶体的特性的新可能性。但是，应该指出的是，与应力场下的脱位运动相比，非压力场下的脱位运动研究仍处于相对模糊的阶段。为了更好地理解非压力场下位错动态的特征，需要更多的深入和系统探索。希望这项工作可以为材料缺陷的多场耦合方面以及半导体场中的处理和缺陷控制的理论和实验基础提供一些基础研究的参考。

相关研究小组主页：

加拿大多伦多大学的Zou Yu教授的研究团队：

北京大学物理学院Gao Peng教授的研究团队：

美国爱荷华州立大学的天使教授研究团队：

加拿大达尔豪斯大学的小彭霍教授的研究团队：

*感谢本文的作者对本文的强烈支持。