北京高壓科學(xué)中心: 硅材料在納米尺度的塑性機(jī)制

硅材料是微電子產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)材料，也是整個(gè)現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。隨著集成電路的特征線寬不斷降低，對(duì)硅材料的高精度加工早已從宏觀尺寸跨入了納米尺寸。因此，硅在納米尺度的機(jī)械性能對(duì)于集成電路工業(yè)具有越來(lái)越重要的意義, 在過(guò)去十幾年吸引了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

眾所周知，晶體硅是一種典型的脆性材料。有趣的是，科學(xué)家卻在各種硅納米材料中觀察到了明顯的壓應(yīng)力誘導(dǎo)塑性形變, 但是過(guò)去的研究對(duì)于這種塑形形變的機(jī)理卻長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議。最近，北京高壓科學(xué)中心的研究小組利用高壓原位同步輻射徑向X射線衍射技術(shù)精確測(cè)定了硅納米顆粒發(fā)生塑性形變過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和原子結(jié)構(gòu)變化, 從而澄清了其塑性的微觀機(jī)理，相關(guān)成果以“Origin of Plasticity in Nanostructured Silicon”為題發(fā)表于近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上。 由于極小的樣品尺寸（往往小于100納米、甚至10納米），納米材料的力學(xué)性能一直是頗具挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域。以往對(duì)于硅納米材料的塑性形變的研究主要集中在理論計(jì)算和利用電子顯微鏡對(duì)單個(gè)納米顆粒的原位加載研究。曾徵丹研究員團(tuán)隊(duì)采用了一種“高壓徑向X射線衍射技術(shù)”來(lái)原位研究硅納米顆粒在不同應(yīng)力作用下的壓縮形變?！安捎脧较騒射線衍射，我們可以同時(shí)研究大量的納米顆粒，既可以觀測(cè)這些顆粒的晶體結(jié)構(gòu)及其取向關(guān)系隨應(yīng)力的變化，同時(shí)還可以定量地得到每一種相的彈性和塑性形變隨應(yīng)力的變化信息，并且實(shí)現(xiàn)其和結(jié)構(gòu)變化的直接關(guān)聯(lián)。這樣就可以幫助我們確認(rèn)到底是什么機(jī)制在主導(dǎo)硅納米顆粒的塑性變形”，曾徵丹研究員解釋到。

他們選擇了兩種不同大小的硅納米顆粒（平均直徑分別約為100納米和9納米）作為研究對(duì)象來(lái)代表較大尺寸和極小尺寸的硅材料，分別將這兩種樣品放在金剛石壓砧的壓腔中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在壓縮過(guò)程中，脆性的金剛石立方相（常壓下的穩(wěn)定相）即使在很高的應(yīng)力下也只會(huì)發(fā)生極微弱的塑性變形。但是當(dāng)應(yīng)力高過(guò)一定的臨界值，硅會(huì)從常規(guī)的金剛石立方相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己盟苄缘母邏航饘傧?，從而迅速發(fā)生顯著的塑性形變。因此，實(shí)驗(yàn)通過(guò)精確的量化證據(jù)，澄清了高壓相的產(chǎn)生才是硅納米顆粒發(fā)生顯著塑性形變的真正原因。而且，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同尺寸的硅納米顆粒，不僅發(fā)生相變的臨界壓力不同，產(chǎn)生的高壓相也不相同。尺寸較大的納米顆粒（100 納米）和體硅類似，相變成一種四方相(Si-II)；而小尺寸的納米顆粒（9納米）則會(huì)轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單六方相(Si-V)。這種差異也意味著尺寸會(huì)顯著影響硅納米材料的力學(xué)性能。 這些研究結(jié)果不但解開了硅納米顆粒發(fā)生塑性形變的秘密，也能幫助我們理解和預(yù)測(cè)不同尺寸的硅納米材料的力學(xué)性能，從而為硅材料在納米尺度的更好應(yīng)用提供指導(dǎo)。