Недавно группа Юй Цзо из Университета Торонто в Канаде, совместно с группами Гао Пэна из Пекинского университета, Ци Аня из Университета штата Айова в США и Пэнхао Сяо из Университета Далхаузи в Канаде, сообщила о том, что удалось управлять движением дислокаций при помощи электрического поля. Благодаря сочетанию in situ‑ и атомно‑масштабной электронной микроскопии с теоретическими расчетами им удалось раскрыть механизм такого управления. Результаты исследования под названием «Использование электрического поля для контроля перемещения дислокаций» были опубликованы 19 июня в журнале Nature Materials. Первым автором статьи является докторант Университета Торонто Миньцян Ли, вторым и третьим авторами — соответственно докторант Университета штата Айова Иди Шэнь и постдокторант Кунь Ло. (Ссылка на оригинальную статью: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01572-7)

Дислокации — это распространённые линейные дефекты в кристаллах, оказывающие существенное влияние на такие физико‑химические свойства кристаллических материалов, как механические, электрические и оптические. С момента формирования теории дислокаций в 1930‑е годы управление их движением остаётся одной из ключевых тем исследований в области материаловедения. Общепринято считать, что перемещение дислокаций требует приложения напряжений; ранее как теоретические, так и экспериментальные работы были посвящены всестороннему и глубокому изучению динамики дислокаций под действием внешних нагрузок. Хотя в ряде исследований также отмечалось, что температура, электрическое поле и даже свет способны влиять на движение дислокаций при приложении напряжений, всё же принято считать, что напряжение остаётся главным фактором, приводящим дислокации в движение; это в определённой степени ограничивает возможности обработки и применения кристаллических материалов. Поскольку движение дислокаций под действием напряжений является одним из основополагающих положений классической теории дислокаций, крайне маловероятно, чтобы удавалось контролировать их перемещение лишь с помощью несилового поля.

Хотя движение дислокаций в отсутствие внешних напряжений привлекает гораздо меньше внимания, тем не менее некоторые исследования в этой области всё же проводятся. Ранние работы восходят к 1960‑м годам: учёные обнаружили, что при воздействии сильного электрического поля на ионные кристаллы — такие как MgO, NaCl и др. — повторяющиеся процедуры травления позволяют наблюдать изменения на поверхности кристалла, проявляющиеся в виде изменений числа и формы выемок; поскольку эти выемки обычно образуются под действием дислокаций, полученные результаты свидетельствовали о возможном взаимодействии между дислокациями и электрическим полем. Кроме того, при облучении высокоскоростным пучком электронов (например, энергии порядка 200 кэВ) в трансмиссионном электронном микроскопе также фиксировалось редкое перемещение дислокаций, однако такое движение обычно носит случайный характер и трудно поддаётся управлению. В целом, управляемое перемещение дислокаций остаётся серьёзной задачей, а из‑за недостатка наглядных экспериментальных данных динамика дислокаций в отсутствие внешних напряжений до сих пор остаётся малоизученной.

В последние годы технологии in situ‑электронной микроскопии стремительно развиваются, что делает возможным непосредственное наблюдение за динамикой микроструктуры под воздействием различных внешних полей. Например, с использованием различных методов in situ‑исследований в ТЭМ, благодаря высокому пространственному разрешению этого прибора, можно непосредственно визуализировать кристаллическую микроструктуру и одновременно прикладывать к образцу электрические поля или механические напряжения, отслеживая реакцию микроструктуры на внешние воздействия.

В последнее время группа исследователей под руководством Гао Пэна в сотрудничестве с группами профессоров Юй Цзо из Университета Торонто, Ци Аня из Университета штата Айова и Пэнхао Сяо из Университета Далхаузи провела исследования эволюции дислокаций в кристаллах под действием электрического поля, используя систему in situ‑электрических измерений для просвечивающего электронного микроскопа, разработанную компанией «Аньхой ZEPTOOLS», а также методы вычислений на основе теории функционала плотности. В результате им удалось реализовать движение дислокаций, управляемое исключительно электрическим полем. На примере полупроводникового материала ZnS на рис. 1 показано электрическое приведение в движение дислокаций в этом веществе. Регулируя величину и направление электрического поля, можно контролировать обратное перемещение линии дислокации: например, при подаче положительного напряжения линия дислокации смещается вправо, а при отрицательном — влево. Эти результаты предоставляют прямые экспериментальные доказательства возможности управления движением дислокаций с помощью электрического поля.

Рис. 1. Движение отдельной дислокации под действием электрического поля. (a) Схема экспериментальной установки: к образцу прикладывается напряжение с помощью металлического наконечника. (b) Начальное положение линии дислокации. (c) При достижении приложенного напряжения +102 В линия дислокации перемещается в правое положение. (d) При достижении приложенного напряжения −90 В линия дислокации перемещается в левое положение.

Они также сравнили подвижность различных типов дислокаций в электрическом поле. Как показано на рис. 2, сначала были выявлены области, в которых чередуются 30°‑дислокации (дислокации B и D) и 90°‑дислокации (дислокации A, C и E). Под действием внешнего электрического поля 30°‑дислокации перемещаются то в одном, то в другом направлении в зависимости от направления поля, тогда как 90°‑дислокации в течение всего процесса остаются неподвижными. Эти результаты свидетельствуют о том, что подвижность 30°‑дислокаций в электрическом поле выше, чем у 90°‑дислокаций. Кроме того, удалось непосредственно наблюдать характерные особенности движения дислокаций под воздействием электрического поля — явление защёлкивания–расщёлкивания и процесс распространения кинков. Этот сравнительный эксперимент продемонстрировал зависимость подвижности дислокаций от их типа, а также характерные особенности их движения в электрическом поле.

Рис. 2. Сравнительное исследование подвижности частичных дислокаций с углом θ = 30° и θ = 90° в электрическом поле. В зависимости от направления электрического поля частичные дислокации с углом 30° (дислокации B и D) могут перемещаться туда‑сюда, тогда как частичные дислокации с углом 90° (дислокации A, C и E) в течение всего процесса остаются неподвижными.

Чтобы понять, как электрическое поле приводит в движение дислокации, они исследовали атомную структуру ядра дислокации и затем, опираясь на расчёты методом функционала плотности, проанализировали её электронную структуру. На рис. 3a представлена атомная структура типичного ядра дислокации типа 30° S. Более светлые пятна соответствуют цепочкам атомов цинка, тогда как более тёмные — цепочкам атомов серы. Теоретические расчёты показывают, что отрицательно заряженная дислокация типа 30° S является более стабильной, чем нейтральное состояние; следовательно, в реальных образцах дислокации, вероятно, обладают зарядом, а распределение заряда вблизи ядра дислокации изображено на рис. 3b. Такая заряженная дислокация позволяет электрическому полю управлять её движением посредством кулоновского взаимодействия. На рис. 3c показана зависимость барьера скольжения дислокации при наличии заряда и под действием внешнего электрического поля. Кроме того, авторы проанализировали три других типа дислокаций в ZnS и установили, что электрическое поле снижает барьер скольжения для всех них, тем самым с энергетической точки зрения объясняя механизм управления движением дислокаций под воздействием электрического поля.

Рис. 3. Атомная структура дислокации и анализ барьера скольжения. (a) Изображение атомной структуры дислокации типа S под углом 30°. (b) Распределение приложенного отрицательного заряда вблизи дислокации типа S под углом 30°. (c) Тенденция изменения барьера скольжения дислокации в заряженном состоянии и под действием электрического поля.

Настоящая работа реализовала управление движением дислокаций исключительно электрическим полем; это не только предоставило прямые экспериментальные доказательства подвижности дислокаций в отсутствие внешнего напряжения, но и открыло новые возможности для регулирования кристаллографических свойств, связанных с дислокациями. Однако следует отметить, что исследования движения дислокаций в отсутствие внешнего напряжения пока находятся на стадии сравнительно низкой степени проработанности по сравнению с аналогичными процессами в условиях напряжённого поля. Для более глубокого понимания особенностей динамики дислокаций вне напряжённого поля необходимы дальнейшие углублённые и систематические исследования. Надеемся, что данная работа послужит полезным ориентиром для соответствующих направлений исследований. Соавторами‑корреспондентами статьи являются Ци Ань, Гао Пэн, Пэнхао Сяо и Юй Цзоу. В проведении исследования также оказали содействие преподаватели Лаборатории электронной микроскопии Пекинского университета — Сюй Цзюнь, Ма Сюэмэй, Чжан Цзинмин — в подготовке образцов методом FIB и их анализе с помощью ТЭМ, а также доцент кафедры конденсированного состояния Физического факультета Пекинского университета Ей Юй и Гу Пинфан — в выполнении электрических измерений. Работа частично поддержана Государственной программой ключевых научно‑технических исследований, Государственным фондом естественных наук Китая, Центром совместных инноваций в области квантовых материалов и Междисциплинарной платформой квантовых материалов на основе лёгких элементов.

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — отечественный производитель высокоточных приборов, являющийся ведущим поставщиком решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов. Выпущенный Пико Фемто Решения для in situ‑характеризации с помощью трансмиссионной электронной микроскопии серии ® , постепенно обеспечивая техническую поддержку важнейших научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлена визуализация образцовой стойки для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии, использованной в данном исследовании:

Благодарим всех пользователей за неизменную поддержку! Особая благодарность — первому автору статьи, выпускнику магистратуры Пекинского университета и докторанту Университета Торонто Ли Минцяну, за предоставленный материал.

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ при помощи ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, привлекли широкое внимание как на внутреннем, так и на международном рынках, заполнив многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑измерительных приборов.