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    我國學者發現非晶硅“拉強壓弱”的反常行為

    日期 2021-06-10   來源:工程與材料科學部   作者:陳克新 方方 霍軍濤  【 】   【打印】   【關閉

    圖1(1) 塊體硅材料的拉伸和壓縮曲線;(2)同一非晶硅“拉-壓”微樣品上先后進行拉伸和壓縮測試;(3)非晶硅在拉應力和壓應力下的剪切模量隨應變量的變化;(4)非晶硅發生剪切塑性轉變所需要克服的能壘,隨拉-壓應變發生很不相同的變化

      在國家自然科學基金項目(51902249、5203000210)等資助下,西安交通大學單智偉教授、馬恩教授研究團隊在微納尺度硅材料力學行為研究方面取得重要進展。研究成果以“非晶硅中的拉壓不對稱性(Tension-compression asymmetry in amorphous Si)”為題,于2021年5月31日在線發表在《自然×材料》(Nature Materials) 雜志上。論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41563-021-01017-z。

      室溫條件下,宏觀尺度的硬脆材料往往表現出抗拉強度遠低于抗壓縮強度的特性,如圖1(1)所示,原因是在制備和加工過程中,這些材料內部及表面不可避免地會產生微孔洞、微裂紋等缺陷,而這些缺陷對拉應力尤其敏感,導致材料的抗拉能力低于抗壓能力。因此,一個自然產生的問題就是:當硬脆材料內部和表面沒有上述缺陷時,這種拉壓不對稱性是否會消失或者呈現新的表現形式?

      為了回答這一基礎科學問題,西安交通大學研究人員選取非晶硅材料為研究載體,通過減小其尺寸來降低材料中存在缺陷的幾率;為了排除樣品差異性對實驗結果造成的可能影響,利用非晶硅的斷口特點,設計制備出了一種“拉-壓”亞微米尺度樣品:在同一樣品上可先后進行定量拉伸和壓縮實驗,如圖1(2)所示。原位透射電子顯微鏡的定量力學測試表明:非晶硅在拉伸時的屈服強度遠高于而非低于壓縮條件下的屈服強度,即非晶硅在缺陷極少時表現出“拉強壓弱”的“反?!辈粚ΨQ性。為揭示其內在原因,研究團隊對非晶硅剪切變形過程進行了原子尺度模擬,發現垂直于剪切面的壓應力會造成剪切面上剪切模量的降低,從而導致壓縮下發生剪切轉變(shear transformation)的能量門檻值降低,塑性變形更容易發生;但拉伸時則正好相反,剪切模量隨垂直于剪切面的拉應力增加而增大,造成剪切變形更難以發生,因此可以一直保持彈性變形直至被拉到斷裂,如圖1(3-4)所示。上述研究有望為硅基材料在微機電系統、微納尺度柔性電子器件等中的應用提供指導。

      硅不僅是半導體工業最重要的基礎材料之一,在光伏電池、液晶顯示、柔性電子器件、微機電系統等領域也有著廣泛的應用。由于在服役過程中,不可避免地要承受外界應力,系統地研究并建立起半導體材料的微觀結構和力學性能的關系,是其高性能長壽命應用的前提和基礎。近年來,西安交通大學單智偉教授研究團隊在國家自然科學基金的資助下在微納尺度硅和其它半導體材料力學特性研究上取得了一系列進展,相關研究見已發表的論文,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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