硅作為電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品的核心材料，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基石。另外硅的多種亞穩(wěn)態(tài)也是潛在的重要微電子材料，其每種亞穩(wěn)態(tài)因其結(jié)構(gòu)的不同而具有獨特的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)，在不同領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景。亞穩(wěn)態(tài)硅可以通過硅的高壓金屬相β-Sn 結(jié)構(gòu)的Si-II在卸壓過程中發(fā)生相變而獲得，其轉(zhuǎn)變機(jī)理和相變路徑受溫度、壓強(qiáng)、加載速率、剪切應(yīng)力、樣品尺寸等多種因素影響。然而，這些熱力學(xué)物理因素是如何耦合在一起影響到亞穩(wěn)態(tài)硅的合成的呢？目前，仍然不清楚。

近日，由北京高壓科學(xué)研究中心、加拿大薩省大學(xué)、美國先進(jìn)光子光源、中科院高能所和中物院一所的研究人員組成的國際研究小組利用時間分辨X射衍射技術(shù)提示了Si-II的兩種不同的相變動力學(xué)過程和轉(zhuǎn)變機(jī)理：一是在緩慢卸壓過程中由熱激發(fā)引起的晶體到晶體相變；另一種是在快速卸載過程由晶格發(fā)生機(jī)械坍塌引起的高壓金屬硅的非晶化。相關(guān)研究以“Temperature-and Rate-Dependent Pathways in Formation of Metastable Silicon Phases under Rapid Decompression”發(fā)表在近日的《物理評論快報》上。 在緩慢卸載過程中，他們觀察到Si-II會直接轉(zhuǎn)化為體心立方結(jié)構(gòu)或菱形結(jié)構(gòu)（bc8或r8）的亞穩(wěn)態(tài)晶體硅，其相變壓力和體積應(yīng)變量隨卸載速率變大而增大。而在一定溫度下，當(dāng)卸載速率達(dá)到某一臨界值時，相變壓力會達(dá)到一固定值，不再隨卸載速率增大而變化。此時，Si-II的晶胞體積膨脹會達(dá)到一臨界值，其四方結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械坍塌而非晶化。

圖釋：Si-II 在不同的溫度，卸載速率作用下兩種不同的相變路徑。 實驗數(shù)據(jù)證實，臨界卸載速率隨溫度和相變勢壘呈Arrhenius關(guān)系，當(dāng)小于臨界值時，Si-II向亞穩(wěn)態(tài)硅轉(zhuǎn)變時由熱激發(fā)引起，其體積應(yīng)變量與相變壓力幾乎呈線性關(guān)系，直到達(dá)到應(yīng)變的臨界值而非晶化。 他們的研究結(jié)果表明，卸壓速率、溫度、相變勢壘等因素互相作用一起影響高壓金屬硅的相變路徑和轉(zhuǎn)化機(jī)理，而理解這這些因素的相互耦合關(guān)系有助于我們合成特定的亞穩(wěn)態(tài)非晶硅。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：亞穩(wěn)態(tài)硅的合成：時間、溫度、壓強(qiáng)的競爭關(guān)系

文章出處：【微信公眾號：知社學(xué)術(shù)圈】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。