Si-II會(huì)直接轉(zhuǎn)化為體心立方結(jié)構(gòu)或菱形結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)態(tài)晶體硅

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(dú)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(guò)硅的高壓金屬相β-Sn 結(jié)構(gòu)的Si-II在卸壓過(guò)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(guó)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(guó)際研究小組利用時(shí)間分辨X射衍射技術(shù)提示了Si-II的兩種不同的相變動(dòng)力學(xué)過(guò)程和轉(zhuǎn)變機(jī)理：一是在緩慢卸壓過(guò)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(guò)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(píng)論快報(bào)》上。 在緩慢卸載過(guò)程中，他們觀察到Si-II會(huì)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(shí)，相變壓力會(huì)達(dá)到一固定值，不再隨卸載速率增大而變化。此時(shí)，Si-II的晶胞體積膨脹會(huì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，臨界卸載速率隨溫度和相變勢(shì)壘呈Arrhenius關(guān)系，當(dāng)小于臨界值時(shí)，Si-II向亞穩(wěn)態(tài)硅轉(zhuǎn)變時(shí)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(shì)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。

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原文標(biāo)題：亞穩(wěn)態(tài)硅的合成：時(shí)間、溫度、壓強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系

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