氟化鈣晶體具有透射波長范圍寬、色散效應低、抗激光損傷能力強等特點，是紫外光刻、高分辨空間相機、高精密光學檢測設備等高端儀器裝備核心元件。但是，氟化鈣開放型立方結構使八面體空隙格位一半處于空置狀態，位錯密度達105/cm2，嚴重影響性能。因此，精準識別、解析并控制晶體中位錯缺陷，是實現氟化鈣晶體近理論極限性能并滿足極端應用需求的突破點。由于F-離子對電子束敏感，氟化鈣晶體位錯原子級表征一直面臨挑戰，而傳統表征技術難以解析并明確其位錯構型和位錯形成機制。
對此，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員蘇良碧和副研究員張博團隊針對氟化鈣晶體位錯原子級表征技術瓶頸，構建了“化學腐蝕法-高分辨電子背散射衍射技術（HR-EBSD）-積分差分相位襯度掃描透射電子顯微技術（iDPC-STEM）”多尺度聯用表征體系。研究通過開發基于菊池線旋轉補償算法的高分辨EBSD技術，突破了傳統EBSD精度不足的瓶頸，并結合化學腐蝕法，實現了晶體中“自由分布”與“規則聚集”兩類位錯精準定位與微小取向差表征。同時，研究采用超低劑量iDPC-STEM技術，首次在原子尺度直接解析了F/Ca原子排列，并清晰捕獲位錯真實構型。
進一步，研究人員結合晶體生長實驗、第一性原理計算及結構表征，揭示了氟化鈣晶體中位錯形成機制。研究發現，過大的溫度梯度使晶格錯配，進而促進位錯形成。同時，研究從原子尺度闡明了空位擇優聚集與弗蘭克不全位錯成核的因果關系。在此基礎上，研究提出抑制/減少位錯缺陷策略，并通過熱處理實驗驗證了“位錯自我調節”的可能性，且將氟化鈣晶體位錯密度從105cm-2降低至103cm-2量級，為實現低缺陷氟化鈣晶體提供了現實路徑。
這一研究解決了長期以來氟化鈣晶體缺陷難以實現“原子級解析”的科學難題，并建立了從宏觀到介觀再到原子級缺陷的完整認知鏈條，為近理論極限性能晶體制備提供了關鍵科學依據。
近日，相關研究成果以Revealing the atomic-scale structures of dislocations in calcium fluoride single crystal為題，發表在《創新-材料》（The Innovation Materials）上。研究工作得到科學技術部和中國科學院的支持。
氟化鈣晶體中位錯的形態、分布和取向差分析
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