独特的应变影响硅的相变，硅是电子产品的关键材料

Josiah02

1999 年，瓦莱里·列维塔斯离开欧洲时，带回了一台旋转金刚石压砧。他和团队中的研究人员仍在使用这种压制、扭转工具的更先进版本，在两颗金刚石之间挤压和剪切材料，以便在实际实验中现场观察发生的情况，并验证研究人员自己的理论预测。
例如，晶体结构如何变化？这会产生新的、潜在有用的特性吗？剪切会改变产生新材料相所需的高压吗？
爱荷华州立大学安森·马斯顿杰出工程学教授兼默里·哈波尔工程学讲席教授列维塔斯写道，这项研究“融合了先进力学、物理学、材料科学和应用数学”。
列维塔斯和他的合作者的最新发现之一是，硅是一种重要的电子产品材料，当它受到挤压和剪切并产生大的塑性或永久变形时，会发生不寻常的相变。
《自然通讯》杂志最近发表了这项研究成果。通讯作者是 Levitas；以及爱荷华州立大学航空航天工程博士后研究员兼主要实验者 Sorb Yesudhas。共同作者包括前爱荷华州立大学的 Feng Lin；前爱荷华州立大学现就职于印度巴巴原子研究中心的 KK Pandey；以及伊利诺伊州阿贡国家实验室高压协作访问团队的 Jesse Smith，该团队在那里进行了原位 X 射线衍射实验。
研究人员承认，目前已经有很多关于硅在高压下变化的研究，但还没有关于硅在压力和塑性剪切变形下变化的研究。在这种情况下，他们让三种大小的硅（百万分之一米、三十亿分之一米和一千亿分之一米）经受旋转金刚石压砧的独特应变。
研究人员写道：“这种由塑性应变引起的相变完全不同，并有望带来许多发现”。
一项针对直径为 1000 亿分之一米的硅样品进行的室温实验发现，0.3 千兆帕斯卡（压力测量常用单位）的压力和塑性变形会将硅所谓的“Si-I”晶相转变为“Si-II”。仅在高压下，这种转变就会从 16.2 千兆帕斯卡开始。
作者写道：“压力降低了 54 倍。”
这是一个突破性的实验发现，列维塔斯说。
“我们的目标之一是减少转化压力，”他说。“因此，我们研究的是其他研究人员通常忽略的领域——压力非常低。”
此外，他表示，研究人员进行材料变形的目的并不是为了改变材料样品的形状或尺寸。
“关键部分是改变微观结构，”列维塔斯说。“这会产生相变。”
不同相的不同晶格结构（本文考虑了硅的七个相）提供了不同的特性，可用于现实世界的工业应用。
研究人员写道：“利用这种技术可以检索具有最佳电子、光学和机械性能的所需纳米结构纯相或混合相（纳米复合材料）。”
这是业界可能感兴趣的一项技术。
“在工业上，用非常高的压力来实现这些相变并不实用，”列维塔斯说。“但通过塑性变形，我们可以在非常适中的压力下实现这些传统的高压相、特性和应用。”
经过 20 年对这些材料问题的思考和理论研究，莱维塔斯表示，他预计硅对旋转金刚石压砧中的应变会有不同寻常的反应。
“如果我没有预料到低压下会发生相变，我们就不会进行检查，”他说。“这些实验证实了我们的几个理论预测，也为该理论带来了新的挑战。”