金屬所Nature子刊: 位錯——可有效調控材料物理特性的新組元

【引言】

應變(尤其是非均勻應變)能夠對特定材料結構實施梯度化調節，從而調控甚至誘導產生母體材料所不具備的全新物理特性。但是，非均勻彈性應變通常很難集成在特定器件上，其主要困難在于由非均勻彈性應變產生的“向錯”具有非常高的應變能，難以穩定存在。如何突破“向錯”應變的能量壁壘，實現對非均勻彈性應變在材料元器件中的有效調控，進而制備具有大范圍響應特性的梯度功能材料，是當今先進功能材料領域面臨的一個重大基礎性科學難題。

【成果簡介】

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室馬秀良研究員、朱銀蓮研究員、唐云龍博士、劉穎博士和王宇佳博士等人組成的材料界面電子顯微學研究團隊，利用高通量脈沖激光沉積技術，通過調控異質界面位錯的柏氏矢量，成功構筑出具有巨大線性應變梯度、超低彈性能以及特殊物理特性的功能氧化物納米結構。2017年6月30日，英國《自然·通訊》(Nature Communications)期刊在線發表了該項研究成果。

金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室的固體原子像界面結構研究團隊長期致力于材料基礎科學問題的電子顯微學研究，經過多年的學術積累，在解決上述基礎科學難題方面近來取得突破。他們在利用脈沖激光沉積技術生長氧化物異質界面過程中，采用高通量模式，使BiFeO₃/LaAlO₃(001)界面產生新奇的、具有面外分量的a[011]刃型位錯陣列。像差校正電子顯微分析表明，這種新型位錯陣列具有晶格旋轉效應（類似彈性彎曲變形），使BiFeO₃納米結構中產生高達10⁶/m的線性應變梯度。這種巨大的線性應變梯度通過彎電效應產生了數兆伏/m的內建電場（與傳統半導體p-n結或肖特基結的內電場相當），同時也大幅度拓寬了BiFeO₃納米結構的可見光吸收范圍。這表明巨大的線性應變梯度可實現對帶隙的連續調控，進而影響光電響應特性，增強其光催化特性等。

該項研究結果顯示，“向錯”的彈性能隨尺度的變化具有很強的非線性特征，體現出巨大的尺寸效應。理論計算表明在納米尺度的BiFeO₃/LaAlO₃體系中，即便其彈性應變梯度超過10⁶/m，該體系的彈性能低至不及均勻應變下彈性能的十分之一，甚至低于界面失配位錯陣列本身的能量。

位錯是材料科學中的核心概念之一。該項工作改變了人們對功能材料中有關位錯作用的傳統認識：位錯未必是一定導致某些物理特性降低的結構缺陷，而是能被用來有效調控甚至產生優異物理特性的新組元。該項研究提供了如何利用位錯的特性構筑具有連續帶隙變化的梯度功能材料的概念、原理及方法。（該項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、科技部973計劃以及金屬所葛庭燧獎研金等項目資助）。

【圖文導讀】

圖1：LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)納米結構沿[100]的HAADF-STEM成像

(a)原子分辨率HAADF-STEM成像；四處典型矩形區域標號為1,2,3和4。

(b)-(d)分別為對應1,2,3和4號矩形區域的放大像。注意(b)和(c)之間的相對晶格旋轉，表明BiFeO₃納米結構中可能存在沿面內方向的連續晶格旋轉。粉色和綠色箭頭分別示意兩類不同伯氏矢量的位錯，其位錯核心區域如(d)和(e)所示。

圖2：雙層LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)納米結構中的晶格旋轉和面內應變

(a)LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)納米結構中晶格旋轉(ω)和(b)面內應變(εxx)的二維分布。

(c)對應(a)中的三處白色矩形區域沿面內方向晶格旋轉線分布。

(d)對應(b)中的白色矩形沿面外方向應變線分布。注意BiFeO₃和LaAlO₃中都產生了明顯的晶格旋轉；同時還產生了沿面外方向的線性應變梯度，可達10⁶/m。

圖3：BiFeO₃/LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)納米結構中的連續應變梯度

(a)BiFeO₃/LaAlO₃/BiFeO₃/LaAlO₃(001)納米結構中晶格旋轉(ω)和(b)面內應變(εxx)的二維分布。

(c)對應(b)中的白色矩形沿面外方向應變線分布。注意在整個BiFeO₃/LaAlO₃/BiFeO₃三層納米結構中都產生了明顯的晶格旋轉及其伴隨的沿面外方向的線性應變梯度；除了第一層BiFeO₃/LaAlO₃(001)由高通量沉積制備的界面，其它界面都只有弛豫失配應變的a[010]位錯，沒有弛豫晶格旋轉的a[011]位錯，從而使得線性應變梯度能夠在整個三層納米結構中得到保持。

(d)為在循環BiFeO₃/LaAlO₃納米結構中保持這種線性應變梯度的原理示意圖。

圖4：BiFeO₃納米“向錯”彈性能計算及其與均勻應變狀態下的比較

(a)均勻應變和應變梯度下同樣尺寸BiFeO₃納米結構彈性能隨厚度變化趨勢。曲線1為應變梯度下BiFeO₃納米結構的彈性能；曲線2為BiFeO₃/LaAlO₃界面失配位錯陣列的彈性能；曲線3為界面失配位錯陣列的彈性能和應變梯度彈性能的加和，即3=1+2；曲線4為BiFeO₃納米結構在均勻失配應變下的彈性能。值得注意的是，和均勻應變下彈性能相比，應變梯度下BiFeO₃納米結構的彈性能在50nm厚度范圍內幾乎可以忽略不計。

(b)為BiFeO₃/LaAlO₃納米結構中由a[001]面外分量產生向錯的示意圖。

(c)和(d)分別為應變梯度下和均勻應變下BiFeO₃納米結構應變能隨薄膜厚度和中性面或失配應變大小的演化規律。可以看出，在大失配體系下，如BiFeO₃/LaAlO₃體系，其向錯應變梯度引起的彈性能在納米尺度范圍內遠遠小于均勻失配應變導致的彈性能。

文獻鏈接：Giant linear strain gradient with extremely low elastic energy in a perovskite nanostructure array (Nature Communications, 2017, doi:10.1038/ncomms15994)

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