西安交大研究人员发现非晶硅“拉强压弱”的反常行为

硬脆材料通常表现为“拉弱压强”。近日，西安交大研究人员发现非晶硅本征的抗拉强度其实可以远高于其抗压强度，即在缺陷极少时表现出“拉强压弱”的“反常”不对称性。上述研究有望为硅基材料在微机电系统、微纳尺度柔性电子器件等中的应用提供指导。相关成果以“Tension-compression asymmetry in amorphous Si”为题发表在最新一期的《自然材料》杂志上。

室温条件下，宏观尺度的硬脆材料往往表现出抗拉强度远低于抗压缩强度的特性，如图（1）所示，原因是在制备和加工过程中，这些材料内部及表面不可避免地会产生微孔洞、微裂纹等缺陷，而这些缺陷对拉应力尤其敏感，导致材料的抗拉能力低于抗压能力。因此，一个自然产生的问题就是当硬脆材料内部和表面没有上述缺陷时，这种拉压不对称性是否会消失或者呈现新的表现形式？

为了回答这一基础科学问题，西安交通大学研究人员选取非晶硅材料为研究载体，通过减小其尺寸来降低材料中存在缺陷的几率；为了排除样品差异性对实验结果造成的可能影响，利用非晶硅的断口特点，设计制备出了一种“拉-压”亚微米尺度样品：在同一样品上可先后进行定量拉伸和压缩实验，如图（2）所示。原位透射电子显微镜的定量力学测试表明，非晶硅在拉伸时的屈服强度远高于而不是低于压缩条件下的屈服强度，即“拉强压弱”而非“拉弱压强”。为揭示其内在原因，研究团队对非晶硅剪切变形过程进行了原子尺度模拟，发现垂直于剪切面的压应力会造成剪切面上剪切模量的降低，从而导致压缩下发生剪切转变（shear transformation）的能量门槛值降低，塑性变形更容易发生；但拉伸时则正好相反，剪切模量随垂直于剪切面的拉应力增加而增大，造成剪切变形更难以发生，因此可以一直保持弹性变形直至被拉到断裂（图3，图4）。

图（1）块体硅材料的拉伸和压缩曲线；图（2）同一非晶硅“拉-压”微样品上先后进行拉伸和压缩测试；图（3）非晶硅在拉应力和压应力下的剪切模量随应变量的变化；图（4）非晶硅发生剪切塑性转变所需要克服的能垒，随拉-压应变发生很不相同的变化。

此论文由微纳中心王悦存副教授（共同第一作者）和单智伟教授（共同通讯作者），与材料创新设计中心丁俊教授（共同第一作者）和马恩教授（共同通讯作者）合作完成。参与该工作的有约翰霍普金斯大学范昭博士、哥廷根大学田琳博士，西安交大李蒙博士、博士生陆焕焕和张永强。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中国博士后科学基金及西安交大青年拔尖人才计划等项目的支持。

硅不仅是半导体工业最重要的基础材料之一，在光伏电池、液晶显示、柔性电子器件、微机电系统等领域也有着广泛的应用。由于在服役过程中，不可避免地要承受外界应力，系统地研究并建立起半导体材料的微观结构和力学性能的关系，是其高性能长寿命应用的前提和基础。近年来，西安交大在微纳尺度硅和其它半导体材料力学特性研究上取得了一系列进展，相关研究见已发表的论文，例如：Science, 369, 542-545, (2020)；Nano Letters,20(1): 449-455, (2020)；Small, 13(1), 1601753, (2017)；NPG Asia Materials, 8(7): e291-e291, (2016)。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01017-z