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材料学院研究人员揭示晶体硅的力致非晶化新机制

2016-07-23 08:07:00

近日,西安交大材料学院微纳中心研究人员借助先进的表征测试技术,首次实现了对晶体硅中力致非晶化的实时观察,并结合第一性原理计算提出了高能层错聚集诱发非晶化相变的新机制。上述研究成果近日在线发表于Nature出版集团旗下材料学期刊NPG Asia Materials

(文章链接:http://www.nature.com/am/journal/v8/n7/full/am201692a.html)

特殊设计的壳核结构及其中的应力分布(左),变形致非晶化的高分辨演化过程(右)

 

硅是当今半导体行业的支柱材料,持续受到人们的高度关注。基于硅的芯片、集成电路、太阳能电池等都已广泛应用于我们的生活中。单晶硅在加工过程中需要经历切割、打磨、抛光等机械加工工序,人们发现:处理完以后的单晶硅片表面总是留有一层非晶硅,用其制作的半导体器件性能不可避免地要受到影响,因此硅的力致非晶化的问题吸引了众多科研人员的研究兴趣。然而经过几十年的努力,其相变机理仍然颇具争议。原因是此前的研究都是在比较复杂的应力状态下或无强约束条件下进行的,前者虽然可导致非晶化但无法直接观测,后者能直接观测但没有相变发生。

针对上述问题,微纳中心博士生王悦存在导师单智伟教授的指导下,通过巧妙的实验设计(左图),成功地实现了硅非晶化过程的原位实时观测(右图)。研究发现:晶体硅首先通过塑形变逐步积累大量的非稳层错,并最终导致非晶化的发生,而不需要经过任何中间相。该发现推翻了本领域的主流观点,即在外力作用下,晶体硅需要经过高压中间相才能发生非晶转变。进而通过和张伟研究员合作,运用第一性原理计算,在电子层面揭示了层错的产生、聚集并最终导致非晶化的整个过程。上述研究不仅澄清了晶体硅力致非晶化的相变途径,揭示了新的相变机理,同时也为原位研究其他脆性材料的塑性变形与相变行为提供了新的思路和方法。

参与该项工作的还有中心的马恩教授和李巨教授,清华大学庄茁教授及其博士生汪丽媛。该研究得到了国家自然科学基金(51231005, 51321003 11132006),西安交通大学青年拔尖人才项目计划的共同资助,以及西安交大高性能计算平台的支持。

[Abstract] The mechanism responsible for deformation induced crystalline-to-amorphous transition (CAT) in silicon is still under considerable debate, owing to the absence of direct experimental evidence. Here we have devised a novel core/shell configuration to impose confinement on the sample to circumvent early cracking during uniaxial compression of sub-micron sized Si pillars. This has enabled large plastic deformation and in situ monitoring of the CAT process inside a transmission electron microscope (TEM). We demonstrate that diamond cubic Si transforms into amorphous silicon through slip-mediated generation and storage of stacking faults, without involving any intermediate crystalline phases. By employing density functional theory (DFT) simulations, we find that energetically unfavorable single-layer stacking faults create very strong antibonding interactions, which trigger the subsequent structural rearrangements. Our findings thus resolve the interrelationship between plastic deformation and amorphization in silicon, and shed light on the mechanism underlying deformation-induced CAT in general.


编辑:冯硕
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