原理上，当施加在晶体上的拉应力、压应力或切应力超过材料屈服点时，位错通常在应力集中处发生。机械载荷是在材料中引入位错的常用手段，但却易破坏脆性的铁电晶体。为此，科学家们探索了多种非机械位错诱导途径，如掺杂、热处理、电场调控、高能粒子辐照等。但现有方法主要依赖于非空间选择性能量沉积，当需要在晶体深处“雕琢”位错时，其精度与可控性将大打折扣。
近日，浙江大学邱建荣教授团队提出了一种铁电体内部高密度位错的多维度光学调控方法。该方法利用超快激光诱导的选择性能量沉积在铁电晶体中可逆直写高密度位错，通过各向异性场增强与晶体铁电畴取向协同作用实现了三维空间中的多自由度位错操控，为铁电体位错工程应用与材料性能设计提供了新思路。相关成果以Reversible writing of high-density dislocations with multidimensional controllability in PMN-PT crystal为题发表于Nature Communications。论文第一作者为浙江大学马榕泽、张博博士，通讯作者为浙江大学张博、王卓和邱建荣教授。中国科学院上海硅酸盐所许桂生研究员、浙江大学刘小峰副教授等也为本工作做出重要贡献。
超快激光可逆直写高密度位错
超快激光诱导PMN-PT单晶中高密度位错的空间形貌和典型操控模式如图1所示。三维自由空间中的位错形成区表现出明显的各向异性，位错密度高达~3.6×1016 m−2。根据激光偏振方向、脉冲能量和铁电畴取向，各向异性位错分布呈现三种典型状态：垂直于激光偏振、平行于激光偏振和平行于晶体极化方向。这一结果归因于超快激光与PMN-PT晶体相互作用过程中引发的不同类型局域场增强之间的竞争机制。利用高密度位错的湮灭行为，可以使用特定激光参数进行二次辐照，原位擦除和重写位错。进一步的晶体学分析表明，超快激光在PMN-PT晶体中诱导的高密度位错分属两类滑移系统：ABO3钙钛矿结构典型的{110}<110>室温滑移系统，以及{100}<100>高温滑移系统，不同晶面上位错分布及其柏氏矢量特征揭示了热效应在超快激光直写高密度位错过程中的关键作用。
图1 超快激光直写高密度位错
图源：Nature Communications
高密度位错多维调控机理
得益于焦点区域内强场-物质相互作用激发的丰富非线性效应，超快激光诱导的高密度位错具有多维可控性（图2）。具体而言，当超快激光聚焦于透明材料内部时会引发多光子电离，在焦点区域中心产生等离子体，该区域会进一步调制后续入射的激光脉冲，导致焦点区域内光场的重新分布。当载流子密度较低时，满足欠密模式下的焦区光场调制，局域场增强方向垂直于激光偏振；当载流子密度较高时，电离区表现出准金属态，满足等离激元模式下的焦区光场调制，局域场增强方向平行于激光偏振。在局域场增强的作用下，辐照区域内产生各向异性的高温高压，形成非平衡应力分布，诱导高密度位错优先沿着光场增强的方向生成。
图2 基于激光偏振方向和铁电畴取向的位错操控
图源：Nature Communications
铁电晶体的各向异性力学性质和铁电畴分布也会影响位错的产生。PMN-PT单晶在(100)和(010)晶面上原子间结合强度较弱，焦区光场引起的非平衡应力会驱使晶体优先沿这两个晶面解理，从而产生高密度位错。同时，由于铁电晶体的自发极化，未经外部电场极化的PMN-PT晶体存在大量随机取向的畴壁，这会引起随机应力集中，导致激光诱导位错周围出现额外随机取向位错。通过外部电场极化可以大幅消除晶体中的随机取向的畴壁，从而提高位错排列的规律性。当晶体极化方向垂直于激光入射方向时，由于畴变增韧效应的影响，位错形成区域总是与晶体极化方向一致。通过设置激光入射方向与晶体极化方向一致，则可以保留由激光偏振带来的位错控制自由度。值得注意的是，在电极化的铁电晶体内部存在由相反束缚电荷产生的退极化场（Ep）。Ep的存在显著提升了激光辐照时电离区的载流子密度，使得焦区局域场增强发生在等离激元模式下，由此产生的位错分布与激光偏振方向平行。
高密度位错的可逆直写
ABO3钙钛矿氧化物中位错具有高度稳定性，在晶格结构和铁电畴环境下表现出低迁移率，这使得位错写入通常是不可逆的。位错湮灭本质上是互补位错相遇引起的，当两个具有相反伯格斯矢量的位错间距小于临界湮灭距离 (~1.5–1.6 nm)时，它们的应力场叠加并部分抵消。超快激光诱导的位错密度极高(~1016 m-2)，初始位错平均间距小于4 nm。通过原位激光二次辐照能够在先前形成的位错区域内显著增加位错密度，使其平均间距低于临界湮灭距离，从而实现位错擦除。实验中，当二次辐照时间超过位错诱导时间的两倍时，位错形成区明显缩短，由各向异性的长条状变为焦点中心的各向同性点，位错几乎被完全擦除（图3）。
图3 高密度位错写入擦除
图源：Nature Communications
多维信息复用与非对称物理加密
通过控制激光写入参数，可以灵活调控位错形成区的取向、长度和形貌。值得注意的是，位错写入和擦除的工艺窗口具有显著区别，为调控位错提供了丰富的参数集。利用位错的可控写入和擦除特性，激光辐照区域天然地呈现出三种基本状态：位错擦除、[100]取向位错分布和[010]取向位错分布，这支持多维度信息复用（图4）。利用位错写入窗口和擦除窗口的差异性还可实现非对称物理加密，当在晶体中写入信息后，可以通过特定参数（公钥）按需擦除原始数据，将其编辑为密文，读取数据时，可以使用另一组重写参数（私钥）解码密文，理论上，公钥和私钥的组合是无限的，并且可以任意扩展。重要的是，如果使用了错误的参数密钥，密文将在解密过程中自动销毁且无法恢复，从而永久阻止破解攻击。
图4 多维信息记录和非对称物理加密
图源：Nature Communications
本研究开发了一种多自由度晶体缺陷光学调控的方法，提出并证明了超快激光辐照可以在PMN-PT等铁电体内部产生可擦除重写的高密度位错，位错分布表现出明显的各向异性，可以通过激光能量、偏振和晶体极化方向等协同调控，使得铁电材料中高密度位错的三维灵活操控成为可能，为开发基于位错工程的新型铁电器件奠定了基础。研究结果对于理解超快激光与物质相互作用过程和无机非金属体系位错调控机制具有重要意义。
论文信息：
Ma, R., Zhang, B., Xu, G. et al. Reversible writing of high-density dislocations with multidimensional controllability in PMN-PT crystal. Nat Commun 16, 5966 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-61095-4
