NatComm: Уникальная деформация влияет на фазовые превращения в кремнии

Валерий Левитас привёз из Европы в США вращающуюся алмазную наковальню в 1999 году. С её помощью он и его коллеги изучают поведение материалов при сжатии и сдвиге между двумя алмазами.

Это позволяет им проверять свои теоретические предсказания о свойствах материалов: например, как меняются кристаллические структуры, появляются ли новые свойства и как сдвиг влияет на необходимое давление для создания новых фаз материала.

Заслуженный профессор инженерных наук Университета штата Айова Энсон Марстон и заведующий кафедрой инженерных наук Мюррея Харпола Левитас пишет, что это исследование находится на пересечении передовой механики, физики, материаловедения и прикладной математики.

Последнее открытие Левитаса и его коллег: кремний, важный материал для электроники, претерпевает необычные фазовые превращения при больших деформациях — когда его сжимают или растягивают.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Communications.

Авторы-корреспонденты — Левитас и Сорб Есудхас, постдокторский научный сотрудник аэрокосмической инженерии штата Айова и главный экспериментатор. Соавторами являются Фенг Лин, ранее работавший в штате Айова; К.К. Пандей, ранее работавший в штате Айова, а теперь работающий в Центре атомных исследований Бхабха в Индии; и Джесси Смит, сотрудник группы совместного доступа к высокому давлению в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, где группа проводила эксперименты по дифракции рентгеновских лучей in situ.

Исследователи не изучали, как ведёт себя кремний под высоким давлением и при пластической деформации сдвига. Они подвергли частицы кремния разного размера уникальным деформациям в ячейке вращающейся алмазной наковальни.

Исследователи предполагают, что такие фазовые превращения помогут сделать много новых открытий.

В эксперименте при комнатной температуре на образцах кремния размером 100 миллиардных долей метра было обнаружено, что давление в 0,3 гигапаскаля превращает кристаллическую фазу кремния «Si-I» в „Si-II“. Обычно это происходит при гораздо более высоком давлении — 16,2 гигапаскаля.

Авторы отмечают, что это снижение давления составляет 54 раза. Левитас считает это открытие прорывным. По его словам, одна из целей исследования — ещё больше снизить давление трансформации. Поэтому учёные работают в области, которую обычно игнорируют другие исследователи — при очень низких давлениях.

Деформация материалов не подразумевает изменение формы или размера образцов.

Главное — это изменение микроструктуры материала, что приводит к фазовым превращениям.

Различные структуры кристаллических решёток разных фаз обеспечивают разные свойства кремния, которые могут быть полезны в промышленности.

С помощью этой техники можно получить наноструктурированные чистые фазы или смеси с оптимальными электронными, оптическими и механическими свойствами.

Левитас утверждает, что работать с высокими давлениями для таких фазовых превращений в промышленности нецелесообразно. Однако пластические деформации позволяют получить эти фазы при очень низких давлениях.

После 20 лет изучения этих вопросов Левитас ожидал необычной реакции кремния на деформации в ячейке с вращающейся алмазной наковальней.

По его словам, если бы он не предполагал возможность фазовых превращений при низких давлениях, то эксперименты бы не проводили. Результаты подтверждают теоретические предсказания и ставят новые задачи для исследований.

26.09.2024