我国学者发现非晶硅“拉强压弱”的反常行为

【字体: 时间:2021年06月11日 来源:国家自然科学基金委员会

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图1(1) 块体硅材料的拉伸和压缩曲线;(2)同一非晶硅“拉-压”微样品上先后进行拉伸和压缩测试;(3)非晶硅在拉应力和压应力下的剪切模量随应变量的变化;(4)非晶硅发生剪切塑性转变所需要克服的能垒,随拉-压应变发生很不相同的变化

  在国家自然科学基金项目(51902249、5203000210)等资助下,西安交通大学单智伟教授、马恩教授研究团队在微纳尺度硅材料力学行为研究方面取得重要进展。研究成果以“非晶硅中的拉压不对称性(Tension-compression asymmetry in amorphous Si)”为题,于2021年5月31日在线发表在《自然×材料》(Nature Materials) 杂志上。论文链接https://www.nature.com/articles/s41563-021-01017-z。

  室温条件下,宏观尺度的硬脆材料往往表现出抗拉强度远低于抗压缩强度的特性,如图1(1)所示,原因是在制备和加工过程中,这些材料内部及表面不可避免地会产生微孔洞、微裂纹等缺陷,而这些缺陷对拉应力尤其敏感,导致材料的抗拉能力低于抗压能力。因此,一个自然产生的问题就是:当硬脆材料内部和表面没有上述缺陷时,这种拉压不对称性是否会消失或者呈现新的表现形式?

  为了回答这一基础科学问题,西安交通大学研究人员选取非晶硅材料为研究载体,通过减小其尺寸来降低材料中存在缺陷的几率;为了排除样品差异性对实验结果造成的可能影响,利用非晶硅的断口特点,设计制备出了一种“拉-压”亚微米尺度样品:在同一样品上可先后进行定量拉伸和压缩实验,如图1(2)所示。原位透射电子显微镜的定量力学测试表明:非晶硅在拉伸时的屈服强度远高于而非低于压缩条件下的屈服强度,即非晶硅在缺陷极少时表现出“拉强压弱”的“反常”不对称性。为揭示其内在原因,研究团队对非晶硅剪切变形过程进行了原子尺度模拟,发现垂直于剪切面的压应力会造成剪切面上剪切模量的降低,从而导致压缩下发生剪切转变(shear transformation)的能量门槛值降低,塑性变形更容易发生;但拉伸时则正好相反,剪切模量随垂直于剪切面的拉应力增加而增大,造成剪切变形更难以发生,因此可以一直保持弹性变形直至被拉到断裂,如图1(3-4)所示。上述研究有望为硅基材料在微机电系统、微纳尺度柔性电子器件等中的应用提供指导。

  硅不仅是半导体工业最重要的基础材料之一,在光伏电池、液晶显示、柔性电子器件、微机电系统等领域也有着广泛的应用。由于在服役过程中,不可避免地要承受外界应力,系统地研究并建立起半导体材料的微观结构和力学性能的关系,是其高性能长寿命应用的前提和基础。近年来,西安交通大学单智伟教授研究团队在国家自然科学基金的资助下在微纳尺度硅和其它半导体材料力学特性研究上取得了一系列进展,相关研究见已发表的论文,如: Science, 369, 542-545, (2020);Nano Letters, 20(1): 449-455, (2020);Small, 13(1), 1601753, (2017);NPG Asia Materials, 8(7): e291-e291, (2016)。

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