胡俊青教授课题组在纳米液态合金的电迁移研究中取得重要进展
透射电子显微镜是一种观察纳米材料形貌、研究纳米材料物理性质的重要工具。通过电镜下的原位研究，人们已经观察到了各种各样纳米尺度下的物理变化过程，其中包括相变、结晶、生长和物质传输等，对研究纳米材料的生长和应用提供了最为直观的证据。在这些研究现象中，两相体系中的物理变化成为材料科学研究的又一热点，引起了各国学者的广泛关注。然而，由于影响因素众多且具有复杂性，原位观测实验难度大，原位观察液相物质在固体内部（而不是表面）的迁移迄今罕见报道。
胡俊青教授课题组利用STM-TEM原位技术，构建了一个电极-纳米线-电极的纳米器件并对熔化的Au/Ge合金在固体Ge纳米线中迁移的现象成功进行了原位观测。他们发现，在恒定电压下，Au/Ge合金经历了熔融、迁移、制动的过程，且液态合金在通过Ge纳米线的中点时会断裂为几部分，如图1所示。他们通过改变电压的大小和方向，系统研究了液态合金的运动规律及动力学行为，实现了通过调控电压精确控制液态合金在固态纳米线中的位置和流动方向。如图2所示，改变电压方向，Au/Ge液态合金的迁移方向随之发生改变，而液态合金的移动方向始终与电流方向相反。课题组与理学院陆爱江博士合作，根据实验现象构建理论模型，将液态合金的迁移解释为三种动力学机制（包括电迁移，热扩散和粘滞阻力）的共同作用，如图3所示。此外，他们证明了实验中观察到的液态合金的运动规律（包括迁移速率和停止位置）与理论分析结果相一致。
图1.（a）Au/Ge液态合金沿着电流的反方向流进Ge纳米线中。（b）Au/Ge液态合金通过Ge纳米线的中点时断裂成几部分。（c）构建的基于单根Ge纳米线的纳米器件示意图。（d）Au/Ge液态合金流动过程中Ge纳米线回路的I-V测量曲线。
图2.（a-f）Au/Ge合金颗粒融化并沿着电流反方向流进Ge纳米线，直至穿过纳米线的中点。（g）撤去电压，Au/Ge液态合金凝固。（h-j）改变电压方向，Au/Ge液态合金的流动方向也发生改变。
图3.（a）Au/Ge液态合金中Au原子和Ge原子的迁移示意图。（b）Au/Ge液态合金在三种不同位置处，其所受到的热扩散、电迁移力和粘滞阻力的示意图。（c）Au/Ge液态合金的迁移速度和其所在位置的拟合曲线。（d）Au/Ge液态合金在Ge纳米线中的停止位置与纳米线的长径比的平方呈线性关系。
胡俊青教授课题组多年来致力于透射电镜下半导体纳米材料的原位研究，在重要学术期刊发表多篇高质量论文（包括Adv. Mater., Small等）。此前，该课题组在材料领域著名综述期刊《材料科学进展》（Progress in Materials Science）上发表长篇论文“纳米线填充纳米管：原位操纵，性能研究与应用”（Nanowires sheathed inside nanotubes: Manipulation, properties and applications）（2015，70，1-49）。该综述全面系统总结了近年来在透射电镜下对纳米管中填充纳米线材料的原位操纵、性能研究及潜在应用等方面取得的重大进展，强调了原位透射技术在这一领域的重要性，并提出了该技术的发展前景及面临的挑战，对于原位透射电镜技术的发展具有重要的指导意义。