中國科學(xué)院金屬研究所的研究人員利用高通量脈沖激光沉積技術(shù)，通過調(diào)控異質(zhì)界面位錯(cuò)的柏氏矢量，成功構(gòu)筑出具有巨大線性應(yīng)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(jié)構(gòu)。2017年6月30日，英國《自然?通訊》(Nature Communications)期刊在線發(fā)表了該項(xiàng)研究成果。這項(xiàng)工作由沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和唐云龍博士等人組成的材料界面電子顯微學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成。
應(yīng)變（尤其是非均勻應(yīng)變）能夠?qū)μ囟ú牧辖Y(jié)構(gòu)實(shí)施梯度化調(diào)節(jié)，從而調(diào)控甚至誘導(dǎo)產(chǎn)生母體材料所不具備的全新物理特性。但是，非均勻彈性應(yīng)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(yīng)變產(chǎn)生的“向錯(cuò)”具有非常高的應(yīng)變能，難以穩(wěn)定存在。如何突破“向錯(cuò)”應(yīng)變的能量壁壘，實(shí)現(xiàn)對(duì)非均勻彈性應(yīng)變?cè)诓牧显骷械挠行д{(diào)控，進(jìn)而制備具有大范圍響應(yīng)特性的梯度功能材料，是當(dāng)今先進(jìn)功能材料領(lǐng)域面臨的一個(gè)重大基礎(chǔ)性科學(xué)難題。
金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室的固體原子像界面結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)長期致力于材料基礎(chǔ)科學(xué)問題的電子顯微學(xué)研究，經(jīng)過多年的學(xué)術(shù)積累，在解決上述基礎(chǔ)科學(xué)難題方面近來取得突破。他們?cè)诶妹}沖激光沉積技術(shù)生長氧化物異質(zhì)界面過程中，采用高通量模式，使BiFeO3/LaAlO3(001)界面產(chǎn)生新奇的、具有面外分量的a[011]刃型位錯(cuò)陣列。像差校正電子顯微分析表明，這種新型位錯(cuò)陣列具有晶格旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（類似彈性彎曲變形），使BiFeO3納米結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生高達(dá)106/m的線性應(yīng)變梯度。這種巨大的線性應(yīng)變梯度通過彎電效應(yīng)產(chǎn)生了數(shù)兆伏/m的內(nèi)建電場（與傳統(tǒng)半導(dǎo)體p-n結(jié)或肖特基結(jié)的內(nèi)電場相當(dāng)），同時(shí)也大幅度拓寬了BiFeO3納米結(jié)構(gòu)的可見光吸收范圍。這表明巨大的線性應(yīng)變梯度可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙的連續(xù)調(diào)控，進(jìn)而影響光電響應(yīng)特性，增強(qiáng)其光催化特性等。
該項(xiàng)研究結(jié)果顯示，“向錯(cuò)”的彈性能隨尺度的變化具有很強(qiáng)的非線性特征，體現(xiàn)出巨大的尺寸效應(yīng)。理論計(jì)算表明在納米尺度的BiFeO3/LaAlO3體系中，即便其彈性應(yīng)變梯度超過106/m，該體系的彈性能低至不及均勻應(yīng)變下彈性能的十分之一，甚至低于界面失配位錯(cuò)陣列本身的能量。
位錯(cuò)是材料科學(xué)中的核心概念之一。該項(xiàng)工作改變了人們對(duì)功能材料中有關(guān)位錯(cuò)作用的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)：位錯(cuò)未必是一定導(dǎo)致某些物理特性降低的結(jié)構(gòu)缺陷，而是能被用來有效調(diào)控甚至產(chǎn)生優(yōu)異物理特性的新組元。該項(xiàng)研究提供了如何利用位錯(cuò)的特性構(gòu)筑具有連續(xù)帶隙變化的梯度功能材料的概念、原理及方法。
該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、科技部973計(jì)劃以及金屬所葛庭燧獎(jiǎng)研金等項(xiàng)目資助。
圖1：LaAlO3/BiFeO3/LaAlO3(001)納米結(jié)構(gòu)沿[100]的HAADF-STEM成像。(a)原子分辨率HAADF-STEM成像；四處典型矩形區(qū)域標(biāo)號(hào)為1,2,3和4。(b)-(d)分別為對(duì)應(yīng)1,2,3和4號(hào)矩形區(qū)域的放大像。注意(b)和(c)之間的相對(duì)晶格旋轉(zhuǎn)，表明BiFeO3納米結(jié)構(gòu)中可能存在沿面內(nèi)方向的連續(xù)晶格旋轉(zhuǎn)。粉色和綠色箭頭分別示意兩類不同伯氏矢量的位錯(cuò)，其位錯(cuò)核心區(qū)域如(d)和(e)所示。
圖2：(a)LaAlO3/BiFeO3/LaAlO3(001)納米結(jié)構(gòu)中晶格旋轉(zhuǎn)( )和(b)面內(nèi)應(yīng)變( xx)的二維分布。(c)對(duì)應(yīng)(a)中的三處白色矩形區(qū)域沿面內(nèi)方向晶格旋轉(zhuǎn)線分布。(d)對(duì)應(yīng)(b)中的白色矩形沿面外方向應(yīng)變線分布。注意BiFeO3和LaAlO3中都產(chǎn)生了明顯的晶格旋轉(zhuǎn)；同時(shí)還產(chǎn)生了沿面外方向的線性應(yīng)變梯度，可達(dá)106/m。
圖3：(a)BiFeO3/LaAlO3/BiFeO3/LaAlO3(001)納米結(jié)構(gòu)中晶格旋轉(zhuǎn)( )和(b)面內(nèi)應(yīng)變( xx)的二維分布。(c)對(duì)應(yīng)(b)中的白色矩形沿面外方向應(yīng)變線分布。注意在整個(gè)BiFeO3/LaAlO3/BiFeO3三層納米結(jié)構(gòu)中都產(chǎn)生了明顯的晶格旋轉(zhuǎn)及其伴隨的沿面外方向的線性應(yīng)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(yīng)變的a[010]位錯(cuò)，沒有弛豫晶格旋轉(zhuǎn)的a[011]位錯(cuò)，從而使得線性應(yīng)變梯度能夠在整個(gè)三層納米結(jié)構(gòu)中得到保持。(d)為在循環(huán)BiFeO3/LaAlO3納米結(jié)構(gòu)中保持這種線性應(yīng)變梯度的原理示意圖。
圖4：BiFeO3納米“向錯(cuò)”彈性能計(jì)算及其與均勻應(yīng)變狀態(tài)下的比較。(a)均勻應(yīng)變和應(yīng)變梯度下同樣尺寸BiFeO3納米結(jié)構(gòu)彈性能隨厚度變化趨勢(shì)。曲線1為應(yīng)變梯度下BiFeO3納米結(jié)構(gòu)的彈性能；曲線2為BiFeO3/LaAlO3界面失配位錯(cuò)陣列的彈性能；曲線3為界面失配位錯(cuò)陣列的彈性能和應(yīng)變梯度彈性能的加和，即3=1+2；曲線4為BiFeO3納米結(jié)構(gòu)在均勻失配應(yīng)變下的彈性能。值得注意的是，和均勻應(yīng)變下彈性能相比，應(yīng)變梯度下BiFeO3納米結(jié)構(gòu)的彈性能在50nm厚度范圍內(nèi)幾乎可以忽略不計(jì)。(b)為BiFeO3/LaAlO3納米結(jié)構(gòu)中由a[001]面外分量產(chǎn)生向錯(cuò)的示意圖。(c)和(d)分別為應(yīng)變梯度下和均勻應(yīng)變下BiFeO3納米結(jié)構(gòu)應(yīng)變能隨薄膜厚度和中性面或失配應(yīng)變大小的演化規(guī)律。可以看出，在大失配體系下，如BiFeO3/LaAlO3體系，其向錯(cuò)應(yīng)變梯度引起的彈性能在納米尺度范圍內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于均勻失配應(yīng)變導(dǎo)致的彈性能。
