Ett team av forskare ledda av Scott X Mao vid University of Pittsburgh har observerat i atomär skala en tidigare okänd mekanism av skjuvdriven kristall som amorft omvandlas till kisel. Uppsatsen "In situ observation av skjuvdriven amorfisering i kiselkristaller, " publicerad i Naturens nanoteknik , representerar en milstolpe i in situ-studien av amorfisering av kisel.
Skjuvdriven amorfisering har observerats i storskaliga kovalent bundna material under kontaktbelastning och/eller kraftig plastisk deformation såsom ytrepor, indrag, och kulfräsning. Dock, den underliggande mekanismen för denna transformation och dess samspel med andra deformationsmekanismer såsom dislokationsglidning var okänd.
"Vi valde kisel eftersom det används allmänt i MEMS och elektronik och dess diamantkubiska struktur är representativ för andra halvledarmaterial, sa Mao, tidningens motsvarande författare och William Kepler Whiteford professor vid institutionen för maskinteknik och materialvetenskap vid Pitt's Swanson School of Engineering. "Denna kunskap är avgörande för att hjälpa till att kontrollera att kristallen amorft omvandlas i syntesen av amorft kisel och applicering av kiselkristaller. Det har också breda konsekvenser för andra kovalent bundna material, speciellt diamantkubiska strukturerade material."
Genom att använda state-of-the-art in situ atomisk skala transmissionselektronmikroskopi, Maos team vid Pitt visade att skjuvdriven amorfisering i diamantkubiskt kisel leds av en skjuvinducerad fasomvandling till hexagonalt diamantkisel, och dislokationskärnbildning dominerade deformation i den senare fasen som resulterade i amorft kisel.
För att bättre förstå beroendet av denna amorfiseringsmekanism för laddningsorientering, Ting Zhu genomförde avancerade datorsimuleringar med hjälp av molekylär dynamik som visade det mekaniska beteendet hos kiselnanostrukturen på atomnivå. Zhu är professor vid Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering och School of Materials Science and Engineering. Zhus simulering avslöjade distinkta aktiva dislokationslägen före amorfisering i kiselnanopelare under olika belastningsriktningar.
Sådan observation i atomskala hade inte varit möjlig tidigare på grund av den spröda naturen hos bulkkisel och svårigheter att upprätthålla villkoren för atomisk TEM-avbildning under kontinuerlig mekanisk påfrestning.
"Genom att minska storleken på kovalenta kristaller till nanoskala, vi eliminerade sprickproducerande brister och fick relativt hög deviatorisk spänning i kiselkristallen. Detta öppnar upp för nya möjligheter att studera amorfisering utan behov av tryckbegränsning, " sade Mao. "Kiselnanopelarna som användes i vår studie var epitaxiellt fästa på kiselwafer. Detta exempel på geometri, kombinerat med avancerad nanomanipulationsteknik, möjliggör mycket stabil provorientering som krävs för högupplöst TEM-avbildning under kontinuerlig komprimering av kiselkristallerna vid hög spänningsnivå."
De tekniker som visas i denna studie ger en kraftfull metod för framtida studier av mekaniska svar i kovalent bundna material. "Vår observation i atomskala ger oöverträffad detaljerad information om hur kisel deformeras och omvandlas till amorft; det borde motivera ytterligare experimentell och modellerande undersökning av mekaniska svar i kovalent bundna material, sa Mao.
Andra forskare i denna studie inkluderar Chongmin Wang, en senior forskare vid Environmental Molecular Sciences Laboratory vid Pacific Northwest National Laboratory; Yang He och Li Zhong, Pitt Ph.D. studenter i Maos labb; och Feifei Fan, en före detta Georgia Tech Ph.D. student i Zhus labb och nuvarande biträdande professor vid University of Nevada, Reno.
