MoO?/Y?O? n-n异质结用于增强三乙胺气体传感器性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：MoO 3/Y 2O 3 n-n heterojunction for enhanced triethylamine gas sensor

高压相变中无定形硅锗直接结晶为四面体配位的r8相，理论模拟显示键角畸变诱导的中间态MDA与r8晶态密度匹配，为材料发现提供新途径。

　　在科学研究领域，关于共价无序固体的压强-温度相行为的研究一直是重要的课题。这类材料包括非晶态硅和锗，它们在高压和高温条件下的相变过程表现出复杂的特性。科学家们一直在探索这些材料可能经历的玻璃转变、通过非晶态-非晶态转变实现的多态性、与液态-液态转变的联系，以及其结构与性能之间的关系。此外，这些材料还可能成为新型材料发现方法的前驱物质。近期的一项实验研究展示了在室温下对纯非晶态硅和锗施加低于10 GPa的压强时，可以观察到一种亚稳态、四配位的三方r8相的成核现象。这一发现不仅为理解非晶态材料的相变机制提供了新的视角，也表明在特定压强条件下，可以形成具有功能性的亚稳态晶体相，为未来材料的开发和应用开辟了新的路径。

非晶态硅和锗作为重要的半导体材料，其压强-温度相图的复杂性一直是研究的焦点。这种复杂性来源于其开放的四面体网络结构、强共价sp3键、存在一种高密度的金属熔体以及在压缩过程中超过20%的体积坍缩等特性。这些因素共同作用，使得非晶态材料在特定条件下表现出高度的相变多样性和潜在的材料发现机会。特别是在高压条件下，非晶态材料可以转变为金属态，其对应的熔体具有负的熔体斜率，这一现象在热力学和材料科学中具有重要意义。

在过去的六十年中，科学家们已经发现，在压缩到约11 GPa时，金刚石结构的硅和锗会转变为具有白锡（β-Sn）结构的金属态多态。随着压强的进一步增加，还会发生一系列可逆的金属-金属相变。然而，当从这种β-Sn相减压时，由于动力学障碍和不可逆性，会形成一些具有四配位结构的特殊非晶态相，而不是回到原来的金刚石结构。这些相的结构变化带来了独特的能带特性，使得通过压强驱动的能带工程可以调控这些材料的性能。这些特殊的非晶态相并不是在任何压强-温度相图区域中的最低能量相，但通过热处理可以将其转变为金刚石结构。然而，许多这些非晶态相在常温下表现出动力学稳定性，具备潜在的技术应用价值。

其中，一个特别引人注目的例子是具有8个原子在晶胞中的三方r8相。在室温下，当从β-Sn相减压时，硅会形成这种r8相，而锗在某些条件下也可能形成类似的结构。这种相的出现为太阳能转换等技术提供了新的可能性。此外，其他亚稳态相也通过多种实验手段被合成，如使用化学前驱物形成开放的硅框架，或者通过激光诱导的微爆炸等非平衡条件。这些研究不仅揭示了非晶态材料在高压下的相变机制，也表明了其在材料科学中的广泛应用前景。

然而，尽管这些实验研究取得了显著进展，但它们通常使用的是通过沉积或化学合成方法制备的非晶态硅和锗，这些方法往往导致材料中存在低水平的杂质，影响其相变行为。目前尚无关于通过固态无序化方法制备的纯非晶态硅和锗的详细高压研究。同样，尽管计算模型在材料科学中发挥着越来越重要的作用，但这些模型通常依赖于特定的势函数和力场，而亚稳态相的形成对势函数的精确性非常敏感。因此，为了更准确地预测和发现这些相，需要开发更精确的势函数和力场。

在这项研究中，我们通过固态无序化方法制备了纯非晶态硅和锗，并在室温下施加至少7 GPa的压强时，观察到了r8相的直接成核现象。这一现象表明，非晶态材料在特定压强条件下可以转变为具有功能性的亚稳态晶体相，而不仅仅是通过非晶态-非晶态转变或液态-液态转变实现的多态性。我们采用了一种经过仔细验证的反应势函数，即Tersoff（2007）势函数，该势函数不同于其他流行的势函数，能够准确预测r8-Si的稳定性，并与实验结果一致。通过分子动力学模拟，我们发现初始的低密度非晶态（LDA）网络在压缩过程中会发生结构变化，最终形成一种具有四配位结构但发生畸变的中密度非晶态（MDA）状态。这种MDA状态在密度上介于LDA和高密度非晶态（HDA）之间，同时与r8相具有相似的密度特性，因此可能成为r8相成核的前驱状态。

这一发现不仅为理解非晶态材料的相变机制提供了新的视角，也为未来材料的开发和应用提供了新的可能性。特别是对于碳等具有类似四面体结构的材料，其相关的（bc8）超金刚石相至今仍未能被充分研究。因此，这一研究结果可能为其他四面体材料的相变研究提供参考。此外，我们观察到的非晶态与亚稳态晶体相之间的密度匹配，表明了一种新的相变路径，而相应的理论模型则展示了如何通过精确的原子尺度模拟来指导新型材料结构的预测、发现和合成。

综上所述，这项研究通过实验和理论相结合的方法，揭示了非晶态硅和锗在特定压强条件下的相变行为。我们采用了一种经过验证的实验方法，即通过固态无序化方法制备纯非晶态材料，并在室温下施加足够的压强，观察到了r8相的直接成核现象。这一现象表明，非晶态材料在特定条件下可以形成具有功能性的亚稳态晶体相，而不仅仅是通过非晶态-非晶态转变或液态-液态转变实现的多态性。通过分子动力学模拟，我们发现初始的LDA网络在压缩过程中会发生结构变化，最终形成一种具有四配位结构但发生畸变的MDA状态，这种状态在密度上介于LDA和HDA之间，并与r8相具有相似的密度特性，因此可能成为r8相成核的前驱状态。

这一研究结果不仅为理解非晶态材料的相变机制提供了新的视角，也为未来材料的开发和应用提供了新的可能性。特别是在高压条件下，非晶态材料可以转变为具有特殊性能的亚稳态晶体相，而这些相的形成对势函数的精确性非常敏感。因此，为了更准确地预测和发现这些相，需要开发更精确的势函数和力场。此外，我们观察到的非晶态与亚稳态晶体相之间的密度匹配，表明了一种新的相变路径，而相应的理论模型则展示了如何通过精确的原子尺度模拟来指导新型材料结构的预测、发现和合成。

这项研究的成果具有重要的科学和应用价值。首先，它揭示了非晶态材料在特定压强条件下的相变行为，为理解其结构与性能之间的关系提供了新的视角。其次，它表明在特定条件下，非晶态材料可以直接成核为具有功能性的亚稳态晶体相，而不仅仅是通过非晶态-非晶态转变或液态-液态转变实现的多态性。这种发现对于材料科学的发展具有重要意义，特别是在探索新型材料发现方法方面。此外，这项研究还表明，通过精确的原子尺度模拟，可以更有效地预测和发现新型材料结构，为未来材料的开发和应用提供了理论支持。

在实际应用方面，这项研究可能为半导体材料的性能调控提供新的思路。例如，通过控制压强条件，可以实现对非晶态硅和锗的结构调控，从而获得具有特殊电子性能的材料。此外，对于碳等具有类似四面体结构的材料，其相关的（bc8）超金刚石相至今仍未能被充分研究，因此这项研究结果可能为这些材料的相变研究提供参考。同时，这项研究还表明，非晶态材料在特定条件下可以形成具有独特性能的亚稳态相，这为材料的进一步开发和应用提供了可能性。

在科学探索方面，这项研究不仅为理解非晶态材料的相变机制提供了新的视角，也为探索新型材料发现方法提供了理论支持。通过精确的原子尺度模拟，可以更有效地预测和发现新型材料结构，为未来材料的开发和应用提供了基础。此外，这项研究还表明，非晶态材料在特定条件下可以形成具有特殊性能的亚稳态相，这为材料的进一步研究和应用提供了新的方向。

总之，这项研究通过实验和理论相结合的方法，揭示了非晶态硅和锗在特定压强条件下的相变行为。我们采用了一种经过验证的实验方法，即通过固态无序化方法制备纯非晶态材料，并在室温下施加足够的压强，观察到了r8相的直接成核现象。这一现象表明，非晶态材料在特定条件下可以形成具有功能性的亚稳态晶体相，而不仅仅是通过非晶态-非晶态转变或液态-液态转变实现的多态性。通过分子动力学模拟，我们发现初始的LDA网络在压缩过程中会发生结构变化，最终形成一种具有四配位结构但发生畸变的MDA状态，这种状态在密度上介于LDA和HDA之间，并与r8相具有相似的密度特性，因此可能成为r8相成核的前驱状态。

这一研究结果不仅为理解非晶态材料的相变机制提供了新的视角，也为未来材料的开发和应用提供了新的可能性。特别是在高压条件下，非晶态材料可以转变为具有特殊性能的亚稳态晶体相，而这些相的形成对势函数的精确性非常敏感。因此，为了更准确地预测和发现这些相，需要开发更精确的势函数和力场。此外，这项研究还表明，非晶态材料在特定条件下可以形成具有独特性能的亚稳态相，这为材料的进一步研究和应用提供了新的方向。