北京
香港城市大學（城大）協理副校長（內地研究）、城大物質科學研究院院長、材料與工程學系講座教授、高時空分辨電鏡中心（TRACE）主任陳福榮教授團隊，利用脈沖電子束技術，解決了鈣鈦礦等離子晶體中輻照損傷致使位錯室溫攀移的表征難題，揭示了位錯的本征結構并闡明了塑性變形機制，為電子束敏感材料的無損原子分辨率表征開辟了新策略。
高能電子束在實現原子分辨率成像的同時，極易對離子晶體的本征結構造成不可逆的改變。以CsPbBr3、SrTiO3、PbTiO3乃至Al2O3等材料為例：在傳統連續電子束成像下，全位錯分解后并未形成理論預測的兩個不全位錯相互平行的滑移構型，反而反常地呈現為相互垂直的攀移構型（圖1a）。這種不可動構型既無法解釋材料的室溫超常塑性（Nat. Mater. 2023, 22, 1175），也違背了攀移需高溫驅動的經典認知，成為解析離子晶體塑性機制的核心瓶頸。
通過彈性散射截面計算，團隊揭示電子束通過位移損傷引入點缺陷。連續電子束下積累的高濃度點缺陷是驅動位錯室溫攀移的根本原因。據此，團隊采用靜電劑量調制器（Electrostatic Dose Modulator, EDM）脈沖電子束技術，在不損失電鏡的分辨率的前提現，利用脈沖關束期間促使點缺陷復合湮滅，成功獲得了位錯本征滑移分解的原子像（圖1b），與理論預測完全吻合，并進一步原位捕捉到由脈沖切換為連續電子束后位錯攀移的動態過程。該工作厘清了位錯的本征結構及塑性變形機制，揭示了輻照誘導室溫攀移的物理起源，也為電子束敏感材料的原子分辨率無損表征提供了普適性新方法。
此外，團隊發現電荷分布可決定性地調控位錯的平衡組態：陽離子核心位錯在穩定攀移后呈寬展構型，陰離子核心位錯則呈緊湊構型（圖2）。電荷密度分析表明，不全位錯間的反相疇界引入局域正電荷，通過同號排斥或異號吸引決定最終構型。這一發現揭示了電荷調控位錯構型的機制，為從電荷維度研究缺陷行為開辟了新視角。
本工作發表于Nature Communications，題為“Resolving intrinsic dislocation structure in perovskite crystals using pulsed electron beam with atomic resolution”。城大李曉翠博士（現中國科學院上海硅酸鹽研究所特聘研究員）與馬詩華博士作為論文共同第一作者，城大陳福榮教授、香港大學陸洋教授、北京工業大學隋曼齡教授及城大趙仕俊教授為共同通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-74440-y
圖1脈沖電子束揭示鈣鈦礦材料中位錯的本征結構及塑性變形機制。（a）連續電子束下位錯的反常室溫攀移分解構型及理論預測的本征滑移分解構型；（b）脈沖電子束下捕獲的位錯本征滑移分解原子像。
圖2 電荷分布對位錯構型的調控作用。(a)陽離子位錯核的寬展結構；(b)陰離子位錯核的緊湊結構。
本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。
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