1. 简介

光照环境会显著改变硫化锌（ZnS）单晶的塑性行为：在黑暗条件下表现出延展性，而在光照下则呈现脆性。

本研究通过同步辐射X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）技术，揭示了这种光环境依赖性塑性的微观变形模式。XRD分析表明，ZnS晶体最初由体积分数相近且具有孪晶关系的两个畴组成，在黑暗条件下塑性变形时伴随畴体积比的变化（即孪晶消失）。当塑性应变超过10%时，畴体积比趋于稳定值0.2。STEM分析指出，黑暗条件下的变形模式在约10%塑性应变时发生转变：从孤立部分位错的滑移主导，转变为以主要畴内成对部分位错的协同滑移为主。

2. 文章亮点

1. 光环境依赖的塑性行为切换
首次发现立方ZnS单晶在黑暗环境下表现延展性（塑性应变>10%），而在光照下转为脆性（仅百分之几塑性应变），揭示了光环境对半导体材料塑性行为的决定性影响。

2. 孪晶畴体积比的应变依赖性
通过同步辐射XRD和TEM证实，黑暗条件下塑性变形初期（应变

3. 位错运动模式的应变阶段转变
STEM分析发现，黑暗条件下位错行为在~10%应变时从孤立部分位错滑移转变为成对位错协同滑移，揭示了变形后期（应变>10%）塑性由主要畴内位错增殖主导的机制。

3. 研究背景

滑移和孪生是晶体材料塑性变形的主要模式。滑移是指晶体沿特定晶面（滑移面）发生块体相对滑动，其最小滑动位移等于最短的晶格平移矢量（即伯格斯矢量b），变形后晶体结构保持不变。而孪生则是原子层以产生不同取向的原始晶体结构的方式移动，使变形区与未变形区形成镜像对称关系。具体激活哪种变形模式取决于晶体结构、温度、应变率等变形条件。

早期研究表明，对于具有金刚石和闪锌矿结构的半导体材料，高温下变形主要由滑移主导，而低温下孪生更易发生。我们此前发现，II-VI族化合物半导体闪锌矿硫化锌（ZnS）晶体在黑暗环境下通过滑移表现出超大塑性，而在光照下塑性变形则伴随形变孪生。然而，这些结论仅基于特定塑性应变后的扫描透射电子显微镜（STEM）和光学表面观察，不同光环境下ZnS晶体变形的微观模式尚未明确，光照对变形模式的影响机制仍有待阐明。

本研究结合同步辐射X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和STEM技术，系统分析了ZnS晶体在不同光照条件下的塑性变形模式，并从位错运动的角度探讨了其物理起源。位错作为塑性变形产生的一维晶格缺陷，是理解变形行为的关键。

4. 图文解析

5. 文章结论

通过同步辐射XRD、TEM和STEM对ZnS单晶在黑暗与光照条件下的变形模式进行研究。XRD结果表明，未变形的原始ZnS晶体初始具有约50%的孪晶结构，在黑暗条件下塑性变形至约10%应变时伴随畴体积变化（即孪晶消失），此后随着应变增加，畴体积比趋于恒定。分析认为，初始阶段（ε_t

在光照条件下，畴体积比同样发生局部变化，表明边界位错运动导致了与黑暗初始阶段类似的局部变形。如先前研究所述，位错运动受其核心与光生载流子相互作用的显著影响，其迁移率强烈依赖于位错特征（如核心原子种类和位错线取向）。这种位错迁移率的差异性可能是光照下非均匀塑性变形的原因。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118738