在压力驱动下，密度匹配效应促使非晶硅（Si）和非晶锗（Ge）中的亚稳态r8相形成

《Materials Today》：Pressure-driven density match nucleates metastable r8 phases from amorphous Si and Ge

无定形硅和锗在室温压缩至10 GPa以下时形成四配位菱方r8亚稳态相，其密度介于低密度无定形和高密度金属相之间，为新材料发现提供新途径。

　　这项研究揭示了在常温下对纯无定形硅和锗进行压缩时，能够直接形成一种稳定的、四配位的菱面体r8相。这一发现为理解无定形材料在高压下的相变机制提供了新的视角，并为未来材料的探索和应用开辟了新的可能性。无定形硅和锗作为重要的半导体材料，其压力-温度（PT）相图的复杂性一直引发了许多科学问题。尽管已知在特定压力条件下，这些材料会发生金属态的相变，但它们在高压下形成的一些非晶态结构仍然存在不确定性。

在过去的几十年里，科学家们发现当无定形硅和锗被压缩到大约11 GPa时，它们会转变为具有类似白锡（β-Sn）结构的金属态多晶型。进一步的压缩会导致一系列可逆的金属-金属相变。然而，在减压过程中，这些材料通常不会恢复到原始的金刚石立方（dc）结构，而是形成一些具有独特电子特性的四配位非晶态相。这些相虽然不是整个PT相图中能量最低的状态，但在常温下表现出较高的动力学稳定性，这使得它们在技术应用上具有潜力。

近年来，关于无定形硅和锗的相变行为，科学家们通过不同的实验方法进行了广泛研究。例如，利用化学前驱体生成无定形硅框架，或者通过激光诱导的微爆炸产生非平衡条件。这些方法通常能够观察到从四配位的低密度无定形（LDA）状态向高密度无定形（HDA）金属态的转变，这种转变与从dc结构向β-Sn结构的转变压力相近。然而，大多数实验结果表明，这些非晶态结构在高压下仍然表现出一定的复杂性，且难以形成稳定的、四配位的r8相。

在这项研究中，研究人员采用了一种新的方法，即通过固态无定形化过程制备纯无定形硅和锗。这种方法不同于传统的沉积或化学合成方法，后者往往会导致材料中存在低水平的杂质，影响其相变行为。通过固态无定形化制备的材料，在常温下进行压缩时，能够在较低的压力（如7 GPa）下直接形成r8相。这种相的形成不仅改变了材料的结构，还对其电子特性产生了显著影响。

研究人员通过实验和理论计算相结合的方式，验证了这一现象。实验部分利用X射线衍射技术对压力淬火（PQ）无定形硅的压缩行为进行了研究，结果显示在7.1 GPa的压力下，PQ无定形硅开始结晶，但不是转变为dc结构，而是直接形成r8相。这一结果表明，无定形材料在高压下不仅可以通过传统的金属态相变路径形成新的结构，还可以通过直接结晶的方式形成具有特定功能的相。

理论计算部分采用了经过严格验证的反应力场势能模型，即Tersoff（2007）模型。这一模型能够预测r8相的稳定性，并与实验结果一致。计算结果表明，从LDA结构开始，随着压力的增加，材料会经历一系列结构变化，最终形成一种介于LDA和HDA之间的中密度无定形（MDA）状态。这种MDA状态具有四配位但扭曲的结构，其密度与r8相相匹配，从而为r8相的形成提供了条件。

此外，研究还探讨了这种现象在其他四配位材料中的潜在应用。例如，碳的结构变化可能与硅和锗的类似，但目前对于碳的类似相（bc8）仍然缺乏明确的研究。因此，这项研究不仅对硅和锗的相变行为提供了新的见解，也为其他材料的探索提供了借鉴。

总的来说，这项研究通过实验和理论计算相结合的方式，揭示了在常温下对纯无定形硅和锗进行压缩时，能够直接形成稳定的r8相。这一发现为理解无定形材料在高压下的相变机制提供了新的视角，并为未来材料的探索和应用开辟了新的可能性。通过这种方法，科学家们可以更有效地研究和开发具有特定功能的新型材料，为半导体技术和材料科学的发展做出贡献。