位错对材料性能非常重要。本文提出一种特制的扫描电子显微镜装置，对双层石墨烯中的位错成像，并同时在纳米尺度原位操纵位错，可以直接揭示线张力、位错相互作用、节点形成等位错的基本特性。

晶体固体的拓扑缺陷是物理学和材料科学的基础研究，因为它们可以从根本上改变几乎任何材料的性质。尤其重要的是线缺陷（也称为位错），对材料塑性有重要作用，也对电子和光学性能有巨大的影响。

自20世纪30年代发现这些缺陷以来，理解和控制这些缺陷的发生和行为，一直是人们关注的焦点。随着二维材料的出现，人们又重新燃起了这种兴趣。在二维材料中，一个单一的拓扑缺陷就可以改变整个系统的功能，甚至产生新的物理现象。

来自德国弗里德里希-亚历山大大学的Erdmann Spiecker等研究者，提出了一种利用特制的扫描电子显微镜装置，可以实现在纳米尺度上直接操纵位错的方法。相关论文以题为“In situ manipulation and switching of dislocations in bilayer graphene”发表在Science Advances上。

论文链接：

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

晶体中的拓扑线缺陷称为位错，是材料科学研究中最基本和最吸引人的现象之一。它们不仅是塑性的主要载体，而且对材料的电学和光学性能有很大的影响。在二维材料时代，位错决定物理性质的能力变得更加重要，因为一个单一的缺陷可能会改变整个材料的行为。例如，在含有面内位错的最薄材料双层石墨烯中，这些缺陷可以充当谷极化的输运通道，反射等离子体激元，并诱导线性磁阻。

在这里，研究者报道了通过原位扫描电子显微镜(SEM)直接操纵独立双层石墨烯中的单个位错，可以揭示基本位错现象如线张力、位错相互作用和节点形成等。此外，平面外位错还具有作为平面内位错锚点和交换位点的独特能力。

由于该仪器腔室大，允许同时成像和使用微操作器。图1C显示了SEM腔内的一般设置：低能量(500V至30 kV)电子探针在样品上扫描，与石墨烯的相互作用导致含有形貌信息的二次电子发射，而透射的电子携带着晶体学的信息，并通过它携带着形貌学的信息。

图1 位错操纵概述

研究者通过进一步研究，平面外位错阵列的位错构型(见图2A)，发现了一种切换机制。在每个面外位错上，有两个面内位错，其中一个主要为螺型，另一个主要为线型。图2B显示了以线厚度表示的位错的交替特性。在双层石墨烯的第一层，存在完美型的平面外位错。图2(D到G)显示了一个现场操作实验的画面，其中观察到了转换相互作用。这种转换，是基于位错在面外位错处的位错线的重组，使不同叠加的空间受限区域能够连接和分离。

首先，面内位错C和D附着在II上。在操作开始时，第一次切换相互作用被诱导，导致A和D附着在II上，而C现在附着在I上(见图2E)。通过进一步移动机械手(图2F)，产生了额外的转换相互作用：现在，A和B附着在II上，而C和D附着在I上。E被II局部吸引，从位错线靠近面外位错的弯曲可以看出，形成了能量上有利的亚稳交点。机械手的移动，进一步诱导了涉及到这个交点的位错线的重新排列：E在II到III之间的跨段与A的整个长度重新组合，形成一个新的位错线附着在III上。E的其余部分现在只固定在II上。IV没有表现出任何转换行为，因为机械手仅仅轻微地影响附着在其上的面内位错(G和H)，也展示了如何局部控制这些相互作用的发生。

图2 位错阵列被固定在平面外位错上的转换相互作用。

图3 一个具有潜在功能性质和开关过程的拓扑开关的原理图表示。

综上所述，研究者利用一种新的方法来对独立双层石墨烯中的位错成像，并同时在纳米尺度上操纵它们，包括拓扑缺陷的基本特性，如线张力、位错相互作用和节点形成，都可以在原位直接揭示。此外，还发现了可移动的面内位错与固定的面外位错之间的相互作用，从而改变了具有相同堆垛顺序(AB或AC)的双层石墨烯区域的互连性。在这些发现的基础上，研究者提出了具有预期功能特性的可逆“拓扑开关”的布局。