Un equipo de investigadores dirigido por Scott X. Mao de la Universidad de Pittsburgh ha observado a escala atómica un mecanismo previamente desconocido de cristal impulsado por cizallamiento para transformarse amorfamente en silicio. El artículo "Observación in situ de la amorfización por cizallamiento en cristales de silicio, " publicado en Nanotecnología de la naturaleza , representa un hito en el estudio in situ de la amorfización del silicio.
Se ha observado amorfización impulsada por el cizallamiento en materiales unidos covalentemente a gran escala durante la carga por contacto y / o deformación plástica severa como el rayado de la superficie, sangría, y molienda de bolas. Sin embargo, Se desconocía el mecanismo subyacente de esta transformación y su interacción con otros mecanismos de deformación, como el deslizamiento por dislocación.
"Elegimos el silicio porque se aplica ampliamente en MEMS y electrónica y su estructura cúbica de diamante es representativa de otros materiales semiconductores, "dijo Mao, autor correspondiente del artículo y profesor William Kepler Whiteford en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales de la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt. "Este conocimiento es crucial para ayudar a controlar el cristal para que se transforme amorfamente en la síntesis de silicio amorfo y la aplicación de cristales de silicio. También tiene amplias implicaciones para otros materiales unidos covalentemente, especialmente materiales estructurados de diamante cúbico ".
Mediante el uso de microscopía electrónica de transmisión a escala atómica in situ de última generación, El equipo de Mao en Pitt demostró que la amorfización impulsada por cizallamiento en el silicio cúbico de diamante está dirigida por una transformación de fase inducida por cizallamiento en silicio hexagonal de diamante. y la nucleación de la dislocación dominó la deformación en la última fase que dio como resultado el silicio amorfo.
Para comprender mejor la dependencia de este mecanismo de amorfización a las orientaciones de carga, Ting Zhu realizó simulaciones por computadora avanzadas utilizando dinámica molecular que mostró el comportamiento mecánico de la nanoestructura de silicio a nivel atómico. Zhu es profesor en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech y en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales. La simulación de Zhu reveló distintos modos de dislocación activa antes de la amorfización en nanopilares de silicio bajo diferentes orientaciones de carga.
Tal observación a escala atómica no había sido posible en el pasado debido a la naturaleza frágil del silicio a granel y las dificultades para mantener las condiciones para la obtención de imágenes TEM a escala atómica durante el esfuerzo mecánico continuo.
"Al reducir el tamaño de los cristales covalentes a nanoescala, Eliminamos los defectos que producían fracturas y adquirimos una tensión desviadora relativamente alta en el cristal de silicio. Esto abre nuevas oportunidades para estudiar la amorfización sin necesidad de confinamiento por presión, ", dijo Mao." Los nanopilares de silicio utilizados en nuestro estudio fueron epitaxiales adheridos a una oblea de silicio. Esta geometría de muestra, combinado con técnicas avanzadas de nanomanipulación, permite una orientación de la muestra muy estable necesaria para la obtención de imágenes TEM de alta resolución durante la compresión continua de los cristales de silicio a un alto nivel de tensión ".
Las técnicas demostradas en este estudio proporcionan un método poderoso para el estudio futuro de las respuestas mecánicas en materiales unidos covalentemente. "Nuestra observación a escala atómica proporciona información detallada sin precedentes de cómo el silicio se deforma y se transforma en amorfo; debería motivar una mayor investigación experimental y de modelado de las respuestas mecánicas en materiales unidos covalentemente". "dijo Mao.
Otros investigadores en este estudio incluyen a Chongmin Wang, científico principal del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico; Yang He y Li Zhong, Pitt Ph.D. estudiantes en el laboratorio de Mao; y Feifei Fan, un ex Ph.D. de Georgia Tech. estudiante en el laboratorio de Zhu y actual profesor asistente en la Universidad de Nevada, Reno.
