Een team van onderzoekers onder leiding van Scott X. Mao van de Universiteit van Pittsburgh heeft op atomaire schaal een voorheen onbekend mechanisme waargenomen van door schuifkracht aangedreven kristal om amorf te transformeren in silicium. Het artikel "In situ observatie van shear-driven amorphization in silicon crystals, " gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , vertegenwoordigt een mijlpaal in de in situ studie van amorfisatie van silicium.

Afschuifgedreven amorfisatie is waargenomen in grootschalige covalent gebonden materialen tijdens contactbelasting en/of ernstige plastische vervorming zoals krassen op het oppervlak, inspringing, en kogelfrezen. Echter, het onderliggende mechanisme van deze transformatie en de wisselwerking met andere vervormingsmechanismen zoals dislocatieslip was onbekend.

"We kozen voor silicium omdat het veel wordt toegepast in MEMS en elektronica en de diamant-kubieke structuur representatief is voor andere halfgeleidermaterialen, " zei Mao, de corresponderende auteur van het artikel en William Kepler Whiteford Professor in de afdeling Werktuigbouwkunde en Materiaalkunde binnen Pitt's Swanson School of Engineering. "Deze kennis is cruciaal om te helpen het kristal amorf te transformeren in de synthese van amorf silicium en de toepassing van siliciumkristallen. Het heeft ook brede implicaties voor andere covalent gebonden materialen, vooral diamant-cubic gestructureerde materialen."

Door gebruik te maken van state-of-the-art in situ transmissie-elektronenmicroscopie op atomaire schaal, Mao's team in Pitt toonde aan dat shear-gedreven amorfisatie in diamant kubisch silicium wordt geleid door een shear-geïnduceerde fasetransformatie naar diamant hexagonaal silicium, en dislocatiekiemvorming domineerde vervorming in de laatste fase die resulteerde in amorf silicium.

Om de afhankelijkheid van dit amorfisatiemechanisme van laadoriëntaties beter te begrijpen, Ting Zhu voerde geavanceerde computersimulaties uit met behulp van moleculaire dynamica die het mechanische gedrag van de siliciumnanostructuur op atomair niveau liet zien. Zhu is een professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering en de School of Materials Science and Engineering van Georgia Tech. Zhu's simulatie onthulde verschillende actieve dislocatiemodi voorafgaand aan amorfisatie in siliciumnanopilaren onder verschillende belastingsoriëntaties.

Een dergelijke waarneming op atomaire schaal was in het verleden niet mogelijk geweest vanwege de broze aard van bulksilicium en de moeilijkheden bij het handhaven van de voorwaarden voor TEM-beeldvorming op atomaire schaal tijdens continue mechanische belasting.

"Door de grootte van covalente kristallen te verkleinen tot nanoschaal, we hebben breukveroorzakende fouten geëlimineerd en relatief hoge deviatorische spanning in het siliciumkristal verkregen. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van amorfisatie zonder de noodzaak van opsluiting onder druk, " zei Mao. "De silicium nanopillars die in onze studie werden gebruikt, waren epitaxiaal bevestigd op siliciumwafels. Deze voorbeeldgeometrie, gecombineerd met geavanceerde nanomanipulatietechnieken, maakt een zeer stabiele monsteroriëntatie mogelijk die vereist is voor TEM-beeldvorming met hoge resolutie tijdens continue compressie van de siliciumkristallen bij hoog stressniveau."

De technieken die in deze studie zijn gedemonstreerd, bieden een krachtige methode voor toekomstige studie van mechanische reacties in covalent gebonden materialen. "Onze observatie op atomaire schaal biedt ongekend gedetailleerde informatie over hoe silicium vervormt en transformeert naar amorf; het zou verder experimenteel en modellerend onderzoek van mechanische reacties in covalent gebonden materialen moeten motiveren, " zei Mao.

Andere onderzoekers in deze studie zijn Chongmin Wang, een senior wetenschapper bij het Environmental Molecular Sciences Laboratory van het Pacific Northwest National Laboratory; Yang He en Li Zhong, Pitt Ph.D. studenten in Mao's lab; en Feifei-fan, een voormalige Georgia Tech Ph.D. student in Zhu's lab en huidige assistent-professor aan de Universiteit van Nevada, Reno.