大连理工大学发现硅的损伤层中的新的相变路新时代

近日，大连理工大学机械工程学院教授张振宇带领博士生崔俊峰和刘冬冬设计并完成了硅的损伤层的透射电镜原位纳米压痕试验，发现了损伤层中的应力诱导新的相变路径，发表于国际顶级期刊Nanoscale并被选为当期的封面文章。

封面的设计理念由张振宇教授提出，他形象生动地阐述了四面体“葫芦”(Si-I)在力的作用下，变成了八面体的“葫芦娃”(Si-VI)，并最终降服“蛇妖”的过程。不仅契合科研成果，同时让更多世界各地的科学家见识了中国文化。“期刊出版商代表也十分喜欢这个理念，投稿仅用了4个小时就被确定接受。” 张振宇教授说。

硅是最重要的半导体材料，广泛应用于航空航天、半导体、微电子、光电子、国防、能源、动力等高性能装备中。高性能装备的使役性能由高性能零件的性能决定。高性能零件一般要求亚纳米级粗糙度、纳米级形位精度和表面/亚表面无损伤，而这种苛刻的要求已经达到目前物理加工的极限，所以研究纳米尺度应力诱导损伤起源及演变的动态过杜少杀入内线程对于研发新的超精密加工工艺与装备具有重要的理论及现实意义。

张振宇教授课题组研发了刃口半径为66 nm的立方形金刚石刀具，加工了厚度为80 nm于是他就采用了回避的态度。的楔形硅，用研发的金刚石刀具在加工的楔形硅上进行了透射电镜原位动态纳米压痕试验，发现了硅的损伤层在应力诱导下出现了纳米孪晶、滑移带和交叉的层错，填补了磨粒加工和透射电镜原位纳米力学之间的偏差。通过透射电镜原位原子尺度测试和表征，发现了硅的损伤层中的Si-I到Si-VI的转变，这是一种新的损伤层应力诱导相变转化路径，以前没有被报道过。用第一性原理模拟揭示了Si-I到Si-VI的相变转化路径。在压缩和旋转的应力作用下，Si-I完成了到Si-VI的转变，每个原子的平均势能增加了1.21 eV，平均作用力是2.444 nN。

在阐述模型时，他表示四面体到八面体是在损伤层中通过应力实现的，四面体需要四个点，为了更突出四面体，用5个宝葫芦来体现四面体。他进一步解释说：“变成八面体需要受力，妖精用宝剑砍，这就有了这个力。”四面体变成八面体经过了巨变，而葫芦变成葫芦娃也是经过了一种演变，五个葫芦对应五个葫芦娃，“实际上4个葫芦娃即可形成八面体，所以第五个葫芦娃站在了头顶上，用留下的宝葫芦降服了妖怪，体现了变形后的神奇力量。实际的工作也是这样，受力后变成了Si-VI八面体，这样更能抵御力了。”

该研究为电子工业中制造高性能器件及纳米结构提供了新的思路，得到国家自然科学基金委优秀青年基金、创新研究群体项目、教育部青年长江学者、辽宁省创新人才、大连市杰青和辽宁重大装备制造协同创新中心(国家级)等的联合资助。(通讯员：姚璐)