以金為代表的金屬材料在微/納機電系統(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中，這些材料可能會承受較高的電流密度。除此之外在電脈沖的作用下，這些材料也可能會產生一定程度的退化和失效。在納米電子器件中，以相變存儲器為例，電信號往往是以脈沖的形式施加的，過載的電脈沖會導致材料結構的巨大變化，甚至是器件的災難性失效。但是電脈沖誘導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控金屬功能材料微觀結構和機械性能的有效方法，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。依據經典模型，電脈沖施加后，大量漂移電子會跟原子發(fā)生碰撞，將動量傳遞給原子，形成電子風力（electron wind force）從而提高缺陷和界面的移動性。大家認為電子風力在電遷移、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、熱應力以及由此誘發(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。

近日浙江大學材料科學與工程學院張澤院士、王江偉研究員團隊巧妙的設計了透射電鏡內的原位實驗，研究了金納米晶在超短電脈沖條件（~3 ns）下的缺陷動力學特征，揭示了Σ3{112}非共格孿晶界的非定向移動機制，系統討論了電熱效應、熱耗散、集膚效應等。定量分析結果表明，這種非共格孿晶界的非定向移動是電子和位錯的直接交互作用導致的，而不是傳統電子風力引起的。在施加電脈沖后，電子與位錯的交互作用可導致位錯核心處的原子發(fā)生不規(guī)則振蕩、偏離平衡位置，從而導致缺陷遷移；同時，位錯核原子的振動引起一定的晶格畸變和殘余應力，導致非共格孿晶界在電脈沖間隙中發(fā)生緩慢弛豫。

相關研究成果以“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，武漢大學鄭赫教授，內布拉斯加大學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驗裝置的搭建

Fig.2 Au納米晶中脈沖導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

Fig.4 實驗中用到的安徽澤攸科技有限公司生產的電學測量原位樣品桿

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力學變化。他們采用納秒級（~3ns）的電脈沖寬度將焦耳熱效應降低到了最小，同時將缺陷密度降低到了最小，排除了潛在的缺陷交互作用。系統研究了缺陷的產生、移動以及湮滅過程，進一步完善和發(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，為微/納機電系統的失效提供了理論指導。