位錯和位錯運動是材料學、固體力學、凝聚態物理中的一個重要課題。位錯運動對晶體的很多性能和表現有著重要的影響，比如力學性能，電學性能，光學性能，熱學性能， 相變等等。自20世紀30年代位錯理論被提出以來，普遍認為位錯移動需要受到應力驅動，並且從理論和實驗上對應力加載下的位錯動力學進行了廣泛和深入的研究。但是驅動位錯移動最主要的是外加應力，很少有報導只通過一個非應力場來控制位錯移動。在1950-1980年有很多人做過離子晶體的電塑性問題——比如材料在應力下再加一個非常的大的電場下（幾千伏的電壓加到幾毫米厚的材料上）材料的強度會小幅降低、塑性會提高。但是目前為止沒有真正直接觀察到單獨用電場（不加應力的情況下）直接讓位錯運動和材料變形的，也沒有高分辨的圖像提供帶電位錯證據，所以具體機理也並不是很清楚。由於缺少直觀的實驗證據，位錯在非應力場下動力學特點也不清楚。
2023年6月19日發表在Nature Materials的一篇題為 「Harnessing dislocation motion using an electric field」 報導了加拿大多倫多大學材料科學與工程系鄒宇 (Yu Zou) 教授課題組與北京大學物理學院高鵬教授、美國愛荷華州立大學安琪 (Qi An) 教授、加拿大達爾豪斯大學肖鵬昊 (Penghao Xiao) 教授合作的最新工作。這項研究實現了僅僅通過外加電場控制的位錯移動（不外加應力），為非應力場下的位錯動力學提供了新的認識和最直接實驗證據。該文章第一作者為多倫多大學博士生Mingqiang Li, 第二作者和第三作者分別是愛荷華州立大學博士生Yidi Shen和博士後Kun Luo。
在這篇文章中，該合作團隊利用以單晶半導體材料硫化鋅ZnS為例作為研究對象（圖1），觀察到位錯線可以來回移動，受到外加電場的大小和方向控制 （圖2、視頻2）。當加載電壓為正時，位錯線向右側運動。當加載電壓為負時，位錯線向左側運動。這個結果為電場控制的位錯移動提供的直接的證據。
圖1. 實驗中所用的單晶硫化鋅ZnS和結構表徵。
圖2. 電場驅動單個位錯移動。（a）實驗裝置示意圖，通過金屬針尖加載電壓。（b）位錯線的初始位置。（c）加載電壓達到102 V時，位錯線向右運動。（d）加載電壓達到-90 V時，位錯線向左運動。位錯線往復運動，受到外加電場的大小和方向控制。
該團隊基於離子晶體帶電位錯理論解釋了電場如何驅動位錯移動。他們通過直接成像表徵了位錯核的原子結構，然後結合密度泛函理論計算分析了位錯核的電子結構。圖3a展示了一個位錯核的原子結構。較亮的圓斑是Zn原子列，較暗的圓斑是S原子列。通過測量伯氏矢量，他們確定這是一個30° S位錯（ZnS中的一種部分位錯）。理論計算表明帶負電的30° S位錯比電中性狀態更加穩定，因此認為ZnS中的位錯是帶電的。圖3b展示了外加電荷（e-）在位錯核附近的分布。這種帶電位錯使得電場可以通過庫侖力相互作用調控位錯。圖3c展示了位錯在帶電狀態以及在外加電場下的滑移勢壘變化趨勢。他們也分析了ZnS中另外三種類型的位錯，發現電場可以降低位錯的滑移勢壘。這個降低的滑移勢壘從能量角度解釋了電場控制位錯移動的機制。
另外，該團隊還排除了其他影響因素，比如焦耳熱、電子風力和電子束輻照。在加電場但是關閉電子束的情況下，仍然可以看到位錯移動 （圖4）
圖3.位錯原子結構以及滑移勢壘分析。（a）30° S位錯的原子結構圖像。（b）外加負電荷在30° S位錯附近的分布。（c）位錯滑移勢壘在帶電狀態和電場下的變化趨勢。
圖4.在電子束關閉的情況下外加電場仍然可以驅動位錯移動
這篇文章的亮點包括以下幾個方面：
- 直接觀察到新的實驗現象：該研究工作利用原位透射電鏡在沒有外力的情況下觀察到外加電場驅動位錯移動，位錯可以隨著電場方向變化往復運動。
- 對電場下位錯動力學新的理解: 該研究工作清晰的表徵了帶電位錯核結構，並且利用密度泛函理論解釋了電核和外加電場不僅提供位錯移動的驅動力，並且降低了位錯移動的能壘。該工作還排除了焦耳熱、電子風力、和電子束對於位錯移動的主要影響。
- 潛在應用:這個工作實現了電場控制的位錯移動。不僅為電場下位錯動力學提供了直接的實驗證據，也為調控位錯相關的晶體性質提供了新的可能，比如僅僅通過電場讓材料塑性變形加工，通過電場去除半導體材料里的位錯缺陷。然而需要指出，相比於應力場下的位錯移動，非應力場下的位錯移動研究還處於比較模糊的階段。為了更好地理解非應力場下的位錯動力學特點，需要更多深入和系統的探索。希望這個工作可以為材料缺陷的多場耦合相關方面的基礎研究提供一些參考，以及半導體領域的加工和缺陷控制提供理論和實驗上的依據。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01572-7