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为解决分子晶体位错分析难题，研究人员利用低剂量单曝光 SED 技术，确定了位错特征及滑移系统，意义重大。
分子晶体位错分析的探索之旅：从困境到突破
在材料科学的微观世界里，分子晶体就像一座神秘的宝藏库，从日常生活中的药品，到前沿的有机光电器件，再到生物体内的蛋白质和蜡质，它无处不在，发挥着至关重要的作用。而晶体缺陷，作为分子晶体中的 “特殊成员”，无论是晶界还是位错（晶体中一种线缺陷，由平面切割晶体并沿特定方向原子位移形成），都在晶体生长机制和功能特性中扮演着关键角色。
然而，当科学家们试图深入探究分子晶体中的位错时，却遇到了重重困难。与金属、陶瓷和无机半导体中能够借助电子显微镜精确分析单个缺陷不同，分子材料中位错的研究一直处于迷雾之中。由于分子晶体对电子束敏感，为避免其在电子束下发生不可逆降解，只能采用低电子剂量进行实验，这就使得在纳米尺度下对分子晶体位错进行分析变得异常艰难，单个位错的特征和滑移系统（描述晶体中位错运动的系统，由位错线向量和 Burgers 向量等决定）的实验测定充满了不确定性。
为了驱散这片迷雾，英国利兹大学（University of Leeds）的 Sang T. Pham、Natalia Koniuch、Emily Wynne 等研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在《Nature Materials》上，为分子晶体位错分析带来了新的曙光。
研究方法：低剂量单曝光 SED 技术开启微观分析新大门
研究人员采用了扫描电子衍射（SED）技术，这是一种特殊的四维扫描透射电子显微镜（4D - STEM）技术，它配备了近乎平行的低会聚角探针，能够在低剂量电子束下工作。借助这种技术，研究人员可以在一次曝光中获取大量衍射向量信息，为位错分析提供丰富的数据。
在实验过程中，研究人员首先制备了多种分子晶体样品，包括有机光电器件模型材料对三联苯（P - terphenyl）和蒽（anthracene）、药物模型化合物茶碱（theophylline）以及蜡模型正三十一烷（n - hentriacontane）。对于不同的样品，他们采用了不同的制备方法，如溶剂蒸发法、旋涂法等，以确保得到适合分析的晶体薄膜或晶体板。
在数据采集阶段，研究人员使用特定的电子显微镜，精确控制电子束的通量和曝光时间，记录下不同晶体的电子衍射图案。随后，利用一系列数据处理软件，如 Pyxem、HyperSpy 等，对采集到的数据进行处理、校准和分析，从而确定位错的特征和滑移系统。
研究结果：多晶体位错特征及滑移系统的精准解析
- 有机光电器件材料中的位错分析：研究人员对 P - terphenyl 和 anthracene 进行研究。通过 SED 技术，他们观察到 P - terphenyl 薄膜中存在密集的位错网络，并且发现其位错长度较长，位错密度为0.32?3.2×1010 cm?2 。通过对弯曲轮廓位移（bend contour displacement）的分析，结合几何模型拟合，确定了 P - terphenyl 中位错的 Burgers 向量为[010] ，具有混合位错特征，滑移系统为[010](001) 。对于 anthracene，尽管其对电子束更敏感，但研究人员依然成功确定了其中位错的 Burgers 向量同样为[010] ，也为混合位错类型。这一结果表明，SED 技术在分析不同稳定性的有机光电器件材料位错方面具有有效性。
- 药物晶体和蜡晶体中的位错分析：在对 theophylline 和 n - hentriacontane 的研究中，研究人员同样取得了重要发现。对于 theophylline 无水形式 II，虽然其位错较短，给分析带来挑战，但通过 VDF 图像分析和几何模型拟合，依然确定了位错的 Burgers 向量在投影上与[102] 对齐，具有混合特征。此外，在 theophylline 的一水合物形式（form M）和亚稳无水形式 III 中，还发现了不同类型的位错，这些位错可能会影响 theophylline 的脱水途径。对于 n - hentriacontane，研究人员明确了其位错的 Burgers 向量方向为[010] ，并且观察到位错线在弯曲路径上呈现出边缘、螺旋和混合等多种特征，这为研究蜡晶体中的扩散途径提供了重要信息。
- 位错相互作用及相关特征分析：研究人员还通过 VDF 图像对不同晶体中位错的 “扭转” 进行分析，这一特征可以反映螺旋分量的手性（handedness）。结合 Burgers 向量方向和手性信息，他们进一步确定了位错的手性和边缘分量方向。例如，在 P - terphenyl 和 theophylline 形式 IIIb 晶体中，发现了具有对齐螺旋分量的位错网络，这表明相互作用的螺旋分量之间存在排斥力。此外，在特定情况下，研究人员还能够利用已有的关系确定 Burgers 向量的大小。
研究结论与意义：照亮分子晶体研究新方向
这项研究通过低剂量单曝光 SED 技术，成功实现了对多种有机分子晶体平面内位错的分析。研究人员引入的几何模型拟合方法，在对晶体结构没有先验知识的情况下，仅需少量的衍射向量数据，就能确定 Burgers 向量，这为分子晶体位错分析提供了一种通用且强大的工具。
通过研究，发现分子晶体中的位错 Burgers 向量方向主要位于分子层间弱相互作用平面内，这与无机固体中的位错结构明显不同。这一发现为深入理解分子晶体的性能，如机械性能、光电性能和化学性能，提供了微观层面的依据，也为开发抑制或设计位错形成的方法奠定了基础。
不过，该研究也存在一些局限性。例如，在测量位移时，样品中多个紧密间隔的位错或宽而曲折的弯曲轮廓会影响测量精度；在电子束扫描过程中，样品可能会发生轻微重取向，导致弯曲轮廓偏移。但这些问题也为后续研究指明了方向，未来研究人员可以通过改进样品制备方法、优化数据处理算法等方式加以解决。
总的来说，这项研究成果为分子晶体领域的研究开辟了新的道路，让我们对分子晶体的微观结构有了更深入的认识，有望推动有机光电器件、药物研发和材料科学等多个领域的发展。
