以金為代表的金屬材料在微/納機(jī)電系統(tǒng)(Micro/nano electromechanical systems)以及納米電子器件中往往被用作為電極，在工作環(huán)境中，特別是集成度較高的系統(tǒng)中，這些材料可能會(huì)承受較高的電流密度。除此之外在電脈沖的作用下，這些材料也可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的退化和失效。在納米電子器件中，以相變存儲(chǔ)器為例，電信號(hào)往往是以脈沖的形式施加的，過載的電脈沖會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的巨大變化，甚至是器件的災(zāi)難性失效。但是電脈沖誘導(dǎo)的退化起源仍然是不太清楚的。另一方面，高能電脈沖處理也是調(diào)控金屬功能材料微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的有效方法，許多研究表明，包括鋼、鈦合金和鎂合金在內(nèi)的金屬材料的成形性可以通過高能電脈沖加工顯著提高，這通常被歸因于電致塑性。依據(jù)經(jīng)典模型，電脈沖施加后，大量漂移電子會(huì)跟原子發(fā)生碰撞，將動(dòng)量傳遞給原子，形成電子風(fēng)力（electron wind force）從而提高缺陷和界面的移動(dòng)性。大家認(rèn)為電子風(fēng)力在電遷移、電致塑性（electroplasticity）中發(fā)揮著主要作用。但是以往的研究往往難以有效排除電流熱效應(yīng)、熱應(yīng)力以及由此誘發(fā)的缺陷交互作用的影響，使得材料電致塑性的微觀起源存在爭議。

近日浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張澤院士、王江偉研究員團(tuán)隊(duì)巧妙的設(shè)計(jì)了透射電鏡內(nèi)的原位實(shí)驗(yàn)，研究了金納米晶在超短電脈沖條件（~3 ns）下的缺陷動(dòng)力學(xué)特征，揭示了Σ3{112}非共格孿晶界的非定向移動(dòng)機(jī)制，系統(tǒng)討論了電熱效應(yīng)、熱耗散、集膚效應(yīng)等。定量分析結(jié)果表明，這種非共格孿晶界的非定向移動(dòng)是電子和位錯(cuò)的直接交互作用導(dǎo)致的，而不是傳統(tǒng)電子風(fēng)力引起的。在施加電脈沖后，電子與位錯(cuò)的交互作用可導(dǎo)致位錯(cuò)核心處的原子發(fā)生不規(guī)則振蕩、偏離平衡位置，從而導(dǎo)致缺陷遷移；同時(shí)，位錯(cuò)核原子的振動(dòng)引起一定的晶格畸變和殘余應(yīng)力，導(dǎo)致非共格孿晶界在電脈沖間隙中發(fā)生緩慢弛豫。

相關(guān)研究成果以“Revealing the pulse-induced electroplasticity by decoupling electron wind force”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。博士生李興為論文的作者，張澤院士、王江偉研究員為論文的通訊作者，武漢大學(xué)鄭赫教授，內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校王健教授參與了本工作。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34333-2

Fig. 1透射電鏡中原位電脈沖實(shí)驗(yàn)裝置的搭建

Fig.2 Au納米晶中脈沖導(dǎo)致的非共格孿晶界遷移

Fig.3 電脈沖作用下Σ3{112}非共格孿晶界的非定向移動(dòng)

Fig.4 實(shí)驗(yàn)中用到的安徽澤攸科技有限公司生產(chǎn)的電學(xué)測量原位樣品桿

在該研究成果中：研究人員以金納米晶體作為研究對象，研究了電脈沖作用下晶體缺陷的動(dòng)力學(xué)變化。他們采用納秒級(jí)（~3ns）的電脈沖寬度將焦耳熱效應(yīng)降低到了最小，同時(shí)將缺陷密度降低到了最小，排除了潛在的缺陷交互作用。系統(tǒng)研究了缺陷的產(chǎn)生、移動(dòng)以及湮滅過程，進(jìn)一步完善和發(fā)展了電激活理論。為揭示電塑性的微觀起源提供了原子尺度證據(jù)，為微/納機(jī)電系統(tǒng)的失效提供了理論指導(dǎo)。

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