Une équipe de chercheurs dirigée par Scott X. Mao de l'Université de Pittsburgh a observé à l'échelle atomique un mécanisme jusqu'alors inconnu de cristal entraîné par cisaillement pour se transformer de manière amorphe en silicium. L'article "Observation in situ de l'amorphisation par cisaillement dans les cristaux de silicium, " Publié dans Nature Nanotechnologie , représente une étape importante dans l'étude in situ de l'amorphisation du silicium.
Une amorphisation entraînée par le cisaillement a été observée dans des matériaux liés de manière covalente à grande échelle lors de charges de contact et/ou de déformations plastiques sévères telles que des rayures de surface, échancrure, et broyage à billes. Cependant, le mécanisme sous-jacent de cette transformation et son interaction avec d'autres mécanismes de déformation tels que le glissement de dislocation était inconnu.
"Nous avons choisi le silicium car il est largement appliqué dans les MEMS et l'électronique et sa structure diamant-cubique est représentative d'autres matériaux semi-conducteurs, " dit Mao, l'auteur correspondant de l'article et William Kepler Whiteford professeur au département de génie mécanique et de science des matériaux de la Swanson School of Engineering de Pitt. "Cette connaissance est cruciale pour aider à contrôler la transformation amorphe du cristal dans la synthèse de silicium amorphe et l'application de cristaux de silicium. Elle a également de larges implications pour d'autres matériaux liés de manière covalente, en particulier les matériaux structurés en diamant cubique."
En utilisant la microscopie électronique à transmission à l'échelle atomique in situ de pointe, L'équipe de Mao à Pitt a montré que l'amorphisation par cisaillement dans le silicium cubique diamant est dirigée par une transformation de phase induite par cisaillement en silicium hexagonal diamant, et la nucléation des dislocations a dominé la déformation dans la dernière phase qui a abouti à du silicium amorphe.
Pour mieux comprendre la dépendance de ce mécanisme d'amorphisation aux orientations de chargement, Ting Zhu a mené des simulations informatiques avancées utilisant la dynamique moléculaire qui ont montré le comportement mécanique de la nanostructure de silicium au niveau atomique. Zhu est professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering et à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. La simulation de Zhu a révélé des modes de dislocation actifs distincts avant l'amorphisation dans des nanopiliers de silicium sous différentes orientations de chargement.
Une telle observation à l'échelle atomique n'avait pas été possible dans le passé en raison de la nature fragile du silicium massif et des difficultés à maintenir les conditions d'imagerie TEM à l'échelle atomique pendant la déformation mécanique continue.
"En réduisant la taille des cristaux covalents à l'échelle nanométrique, nous avons éliminé les défauts produisant des fractures et acquis une contrainte déviatorique relativement élevée dans le cristal de silicium. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour étudier l'amorphisation sans avoir besoin de confinement de pression, " a déclaré Mao. " Les nanopiliers de silicium utilisés dans notre étude ont été fixés par épitaxie sur une plaquette de silicium. Cet exemple de géométrie, combiné à des techniques avancées de nanomanipulation, permet une orientation très stable de l'échantillon requise pour l'imagerie TEM haute résolution pendant la compression continue des cristaux de silicium à un niveau de contrainte élevé."
Les techniques démontrées dans cette étude fournissent une méthode puissante pour l'étude future des réponses mécaniques dans les matériaux liés par covalence. "Notre observation à l'échelle atomique fournit des informations détaillées sans précédent sur la façon dont le silicium se déforme et se transforme en amorphe ; cela devrait motiver d'autres recherches expérimentales et de modélisation des réponses mécaniques dans les matériaux liés de manière covalente, " dit Mao.
Parmi les autres chercheurs de cette étude, citons Chongmin Wang, un scientifique principal au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement du Pacific Northwest National Laboratory; Yang He et Li Zhong, Ph.D. Pitt. les étudiants du laboratoire de Mao; et Feifei Fan, un ancien PhD de Georgia Tech. étudiant au laboratoire de Zhu et actuel professeur assistant à l'Université du Nevada, Réno.
