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位錯(cuò)對材料性能非常重要。本文提出一種特制的掃描電子顯微鏡裝置，對雙層石墨烯中的位錯(cuò)成像，并同時(shí)在納米尺度原位操縱位錯(cuò)，可以直接揭示線張力、位錯(cuò)相互作用、節(jié)點(diǎn)形成等位錯(cuò)的基本特性。

晶體固體的拓?fù)淙毕菔俏锢韺W(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究，因?yàn)樗鼈兛梢詮母旧细淖儙缀跞魏尾牧系男再|(zhì)。尤其重要的是線缺陷（也稱為位錯(cuò)），對材料塑性有重要作用，也對電子和光學(xué)性能有巨大的影響。

自20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)這些缺陷以來，理解和控制這些缺陷的發(fā)生和行為，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著二維材料的出現(xiàn)，人們又重新燃起了這種興趣。在二維材料中，一個(gè)單一的拓?fù)淙毕菥涂梢愿淖冋麄€(gè)系統(tǒng)的功能，甚至產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象。

來自德國弗里德里希-亞歷山大大學(xué)的Erdmann Spiecker等研究者，提出了一種利用特制的掃描電子顯微鏡裝置，可以實(shí)現(xiàn)在納米尺度上直接操縱位錯(cuò)的方法。相關(guān)論文以題為“In situ manipulation and switching of dislocations in bilayer graphene”發(fā)表在Science Advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat4712.full

晶體中的拓?fù)渚€缺陷稱為位錯(cuò)，是材料科學(xué)研究中最基本和最吸引人的現(xiàn)象之一。它們不僅是塑性的主要載體，而且對材料的電學(xué)和光學(xué)性能有很大的影響。在二維材料時(shí)代，位錯(cuò)決定物理性質(zhì)的能力變得更加重要，因?yàn)橐粋€(gè)單一的缺陷可能會改變整個(gè)材料的行為。例如，在含有面內(nèi)位錯(cuò)的最薄材料雙層石墨烯中，這些缺陷可以充當(dāng)谷極化的輸運(yùn)通道，反射等離子體激元，并誘導(dǎo)線性磁阻。

在這里，研究者報(bào)道了通過原位掃描電子顯微鏡(SEM)直接操縱獨(dú)立雙層石墨烯中的單個(gè)位錯(cuò)，可以揭示基本位錯(cuò)現(xiàn)象如線張力、位錯(cuò)相互作用和節(jié)點(diǎn)形成等。此外，平面外位錯(cuò)還具有作為平面內(nèi)位錯(cuò)錨點(diǎn)和交換位點(diǎn)的獨(dú)特能力。

由于該儀器腔室大，允許同時(shí)成像和使用微操作器。圖1C顯示了SEM腔內(nèi)的一般設(shè)置：低能量(500V至30 kV)電子探針在樣品上掃描，與石墨烯的相互作用導(dǎo)致含有形貌信息的二次電子發(fā)射，而透射的電子攜帶著晶體學(xué)的信息，并通過它攜帶著形貌學(xué)的信息。

圖1 位錯(cuò)操縱概述

研究者通過進(jìn)一步研究，平面外位錯(cuò)陣列的位錯(cuò)構(gòu)型(見圖2A)，發(fā)現(xiàn)了一種切換機(jī)制。在每個(gè)面外位錯(cuò)上，有兩個(gè)面內(nèi)位錯(cuò)，其中一個(gè)主要為螺型，另一個(gè)主要為線型。圖2B顯示了以線厚度表示的位錯(cuò)的交替特性。在雙層石墨烯的第一層，存在完美型的平面外位錯(cuò)。圖2(D到G)顯示了一個(gè)現(xiàn)場操作實(shí)驗(yàn)的畫面，其中觀察到了轉(zhuǎn)換相互作用。這種轉(zhuǎn)換，是基于位錯(cuò)在面外位錯(cuò)處的位錯(cuò)線的重組，使不同疊加的空間受限區(qū)域能夠連接和分離。

首先，面內(nèi)位錯(cuò)C和D附著在II上。在操作開始時(shí)，第一次切換相互作用被誘導(dǎo)，導(dǎo)致A和D附著在II上，而C現(xiàn)在附著在I上(見圖2E)。通過進(jìn)一步移動(dòng)機(jī)械手(圖2F)，產(chǎn)生了額外的轉(zhuǎn)換相互作用：現(xiàn)在，A和B附著在II上，而C和D附著在I上。E被II局部吸引，從位錯(cuò)線靠近面外位錯(cuò)的彎曲可以看出，形成了能量上有利的亞穩(wěn)交點(diǎn)。機(jī)械手的移動(dòng)，進(jìn)一步誘導(dǎo)了涉及到這個(gè)交點(diǎn)的位錯(cuò)線的重新排列：E在II到III之間的跨段與A的整個(gè)長度重新組合，形成一個(gè)新的位錯(cuò)線附著在III上。E的其余部分現(xiàn)在只固定在II上。IV沒有表現(xiàn)出任何轉(zhuǎn)換行為，因?yàn)闄C(jī)械手僅僅輕微地影響附著在其上的面內(nèi)位錯(cuò)(G和H)，也展示了如何局部控制這些相互作用的發(fā)生。

圖2 位錯(cuò)陣列被固定在平面外位錯(cuò)上的轉(zhuǎn)換相互作用。

圖3 一個(gè)具有潛在功能性質(zhì)和開關(guān)過程的拓?fù)溟_關(guān)的原理圖表示。

綜上所述，研究者利用一種新的方法來對獨(dú)立雙層石墨烯中的位錯(cuò)成像，并同時(shí)在納米尺度上操縱它們，包括拓?fù)淙毕莸幕咎匦裕缇€張力、位錯(cuò)相互作用和節(jié)點(diǎn)形成，都可以在原位直接揭示。此外，還發(fā)現(xiàn)了可移動(dòng)的面內(nèi)位錯(cuò)與固定的面外位錯(cuò)之間的相互作用，從而改變了具有相同堆垛順序(AB或AC)的雙層石墨烯區(qū)域的互連性。在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究者提出了具有預(yù)期功能特性的可逆“拓?fù)溟_關(guān)”的布局。