Si-II會直接轉化為體心立方結構或菱形結構的亞穩態晶體硅

硅作為電腦、手機等電子產品的核心材料，是現代信息產業的基石。另外硅的多種亞穩態也是潛在的重要微電子材料，其每種亞穩態因其結構的不同而具有獨特的電學、光學等性質，在不同領域都具有重要的應用前景。亞穩態硅可以通過硅的高壓金屬相β-Sn 結構的Si-II在卸壓過程中發生相變而獲得，其轉變機理和相變路徑受溫度、壓強、加載速率、剪切應力、樣品尺寸等多種因素影響。然而，這些熱力學物理因素是如何耦合在一起影響到亞穩態硅的合成的呢？目前，仍然不清楚。

近日，由北京高壓科學研究中心、加拿大薩省大學、美國先進光子光源、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射衍射技術提示了Si-II的兩種不同的相變動力學過程和轉變機理：一是在緩慢卸壓過程中由熱激發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生機械坍塌引起的高壓金屬硅的非晶化。相關研究以“Temperature-and Rate-Dependent Pathways in Formation of Metastable Silicon Phases under Rapid Decompression”發表在近日的《物理評論快報》上。 在緩慢卸載過程中，他們觀察到Si-II會直接轉化為體心立方結構或菱形結構（bc8或r8）的亞穩態晶體硅，其相變壓力和體積應變量隨卸載速率變大而增大。而在一定溫度下，當卸載速率達到某一臨界值時，相變壓力會達到一固定值，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到一臨界值，其四方結構發生機械坍塌而非晶化。

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。 實驗數據證實，臨界卸載速率隨溫度和相變勢壘呈Arrhenius關系，當小于臨界值時，Si-II向亞穩態硅轉變時由熱激發引起，其體積應變量與相變壓力幾乎呈線性關系，直到達到應變的臨界值而非晶化。 他們的研究結果表明，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化機理，而理解這這些因素的相互耦合關系有助于我們合成特定的亞穩態非晶硅。

責任編輯：xj

原文標題：亞穩態硅的合成：時間、溫度、壓強的競爭關系

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