At se siliciumkrystal transformere til amorf

Et team af forskere ledet af University of Pittsburghs Scott X. Mao har i atomær skala observeret en hidtil ukendt mekanisme af forskydningsdrevet krystal til amorf transformation i silicium. Artiklen "In situ observation af forskydningsdrevet amorfisering i siliciumkrystaller, " offentliggjort i Natur nanoteknologi , repræsenterer en milepæl i in situ-studiet af amorfisering af silicium.

Forskydningsdrevet amorfisering er blevet observeret i kovalent bundne materialer i stor skala under kontaktbelastning og/eller alvorlig plastisk deformation såsom overfladeridsning, fordybning, og kuglefræsning. Imidlertid, den underliggende mekanisme for denne transformation og dens samspil med andre deformationsmekanismer såsom dislokationsglidning var ukendt.

"Vi valgte silicium, fordi det er almindeligt anvendt i MEMS og elektronik, og dets diamantkubiske struktur er repræsentativ for andre halvledermaterialer, " sagde Mao, avisens korresponderende forfatter og William Kepler Whiteford Professor i Institut for Mekanisk Teknik og Materialevidenskab ved Pitt's Swanson School of Engineering. "Denne viden er afgørende for at hjælpe med at kontrollere krystallen til amorf transformation i syntesen af ​​amorft silicium og anvendelse af siliciumkrystaller. Det har også brede implikationer for andre kovalent bundne materialer, især diamantkubiske strukturerede materialer."

Ved at bruge state-of-the-art in situ atom-skala transmissionselektronmikroskopi, Maos team på Pitt viste, at forskydningsdrevet amorfisering i diamant kubisk silicium ledes af en forskydningsinduceret fasetransformation til diamant sekskantet silicium, og dislokationskernedannelse dominerede deformation i sidstnævnte fase, hvilket resulterede i amorft silicium.

For bedre at forstå denne amorfiseringsmekanismes afhængighed af belastningsorienteringer, Ting Zhu udførte avancerede computersimuleringer ved hjælp af molekylær dynamik, der viste den mekaniske adfærd af siliciumnanostrukturen på atomniveau. Zhu er professor ved Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og School of Materials Science and Engineering. Zhus simulering afslørede distinkte aktive dislokationstilstande før amorfisering i siliciumnanopiller under forskellige belastningsorienteringer.

Sådanne observationer i atom-skala havde ikke været mulige tidligere på grund af den sprøde natur af bulk-silicium og vanskeligheder med at opretholde betingelserne for atom-skala TEM-billeddannelse under kontinuerlig mekanisk belastning.

"Ved at reducere størrelsen af ​​kovalente krystaller til nanoskala, vi eliminerede brudproducerende fejl og opnåede relativt høj afvigende spænding i siliciumkrystallen. Dette åbner nye muligheder for at studere amorfisering uden behov for trykbegrænsning, " sagde Mao. "Siliciumnanopillerne, der blev brugt i vores undersøgelse, blev epitaksialt fastgjort på siliciumwafer. Denne prøvegeometri, kombineret med avancerede nanomanipulationsteknikker, muliggør meget stabil prøveorientering, der kræves til høj opløsning TEM-billeddannelse under kontinuerlig komprimering af siliciumkrystallerne ved højt stressniveau."

Teknikkerne demonstreret i denne undersøgelse giver en kraftfuld metode til fremtidig undersøgelse af mekaniske reaktioner i kovalent bundne materialer. "Vores observation på atomare skala giver hidtil uset detaljeret information om, hvordan silicium deformeres og transformeres til amorft; det burde motivere yderligere eksperimentel og modellerende undersøgelse af mekaniske reaktioner i kovalent bundne materialer, " sagde Mao.

Andre forskere i denne undersøgelse inkluderer Chongmin Wang, en seniorforsker ved Environmental Molecular Sciences Laboratory ved Pacific Northwest National Laboratory; Yang He og Li Zhong, Pitt Ph.D. studerende i Maos laboratorium; og Feifei Fan, en tidligere Georgia Tech Ph.D. studerende i Zhu's laboratorium og nuværende assisterende professor ved University of Nevada, Reno.