北京高压科学中心: 硅材料在纳米尺度的塑性机制

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硅材料是微电子产业最重要的基础材料，也是整个现代信息社会的基石。随着集成电路的特征线宽不断降低，对硅材料的高精度加工早已从宏观尺寸跨入了纳米尺寸。因此，硅在纳米尺度的机械性能对于集成电路工业具有越来越重要的意义, 在过去十几年吸引了大量的理论和实验研究。


众所周知，晶体硅是一种典型的脆性材料。有趣的是，科学家却在各种硅纳米材料中观察到了明显的压应力诱导塑性形变, 但是过去的研究对于这种塑形形变的机理却长期存在争议。最近，北京高压科学中心的研究小组利用高压原位同步辐射径向X射线衍射技术精确测定了硅纳米颗粒发生塑性形变过程中的应力、应变和原子结构变化, 从而澄清了其塑性的微观机理，相关成果以“Origin of Plasticity in Nanostructured Silicon”为题发表于近期的《物理评论快报》上。
 
由于极小的样品尺寸（往往小于100纳米、甚至10纳米），纳米材料的力学性能一直是颇具挑战的研究领域。以往对于硅纳米材料的塑性形变的研究主要集中在理论计算和利用电子显微镜对单个纳米颗粒的原位加载研究。曾徵丹研究员团队采用了一种“高压径向X射线衍射技术”来原位研究硅纳米颗粒在不同应力作用下的压缩形变。“采用径向X射线衍射，我们可以同时研究大量的纳米颗粒，既可以观测这些颗粒的晶体结构及其取向关系随应力的变化，同时还可以定量地得到每一种相的弹性和塑性形变随应力的变化信息，并且实现其和结构变化的直接关联。这样就可以帮助我们确认到底是什么机制在主导硅纳米颗粒的塑性变形”，曾徵丹研究员解释到。

他们选择了两种不同大小的硅纳米颗粒（平均直径分别约为100纳米和9纳米）作为研究对象来代表较大尺寸和极小尺寸的硅材料，分别将这两种样品放在金刚石压砧的压腔中进行实验。实验结果表明，在压缩过程中，脆性的金刚石立方相（常压下的稳定相）即使在很高的应力下也只会发生极微弱的塑性变形。但是当应力高过一定的临界值，硅会从常规的金刚石立方相转变为具有良好塑性的高压金属相，从而迅速发生显著的塑性形变。因此，实验通过精确的量化证据，澄清了高压相的产生才是硅纳米颗粒发生显著塑性形变的真正原因。而且，实验进一步发现对于不同尺寸的硅纳米颗粒，不仅发生相变的临界压力不同，产生的高压相也不相同。尺寸较大的纳米颗粒（100 纳米）和体硅类似，相变成一种四方相(Si-II)；而小尺寸的纳米颗粒（9纳米）则会转变成简单六方相(Si-V)。这种差异也意味着尺寸会显著影响硅纳米材料的力学性能。

这些研究结果不但解开了硅纳米颗粒发生塑性形变的秘密，也能帮助我们理解和预测不同尺寸的硅纳米材料的力学性能，从而为硅材料在纳米尺度的更好应用提供指导。

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