力材院教师在单晶硅纳米塑性变形机理研究上取得新进展

发布者:综合科发布时间:2020-09-08浏览次数:10

晶硅是大规模集成电路、半导体工业、微纳机电系统等现代工业的基础材料。单晶硅的超光滑表面制造、硅基微纳米机电系统的服役过程都涉及纳米尺度上的变形和力学行为。然而,由于单晶硅的塑性变形涉及相变、位错、孪晶等多种变形机制并且强烈依赖于变形区域的特征尺寸,目前对纳米尺度下单晶硅的塑性变形机理尚未完全理解。阐明这一机理能更好的控制、优化单晶硅的超光滑表面制造质量,指导微纳米机电系统设计以提高其寿命和可靠性。

近期,河海大学力材院教师与中国矿业大学、香港城市大学相关教师合作探索了纳米压入过程中单晶硅的弹塑性转变机理。借助于大规模分子动力学模拟,发现了纳米尺寸下压头直径依赖的弹塑性转变机理:当球形纳米压头的直径小于60 nm时,高压相变驱动了单晶硅的弹塑性转变;当压头直径在60-100 nm时,高压相变和位错激活几乎同步发生,共同驱动了单晶硅的弹塑性转变。进而结合线弹性力学模型、热力学计算和有限元分析阐明了这种尺寸依赖的弹塑性转变机理发生的力学原因。研究工作还系统讨论了高压相变和位错演化过程及其所致的纳米力学行为特征。上述发现阐明了纳米尺寸下压头尺寸对单晶硅变形机理的重要作用,对理解“尺寸”对材料性能和力学行为的影响和优化硅片及硅基微纳米机电系统的制造具有重要价值和意义。论文以“Investigation of indenter-size-dependent nanoplasticity of silicon by molecular dynamics simulation”为题发表在ACS Applied Electronic Materials》上。力材院孙甲鹏副研究员为第一作者,力材院吴国松教授,中国矿业大学韩静副教授,香港城市大学朱剑豪(Paul K. Chu)教授为本论文的共同通讯作者。