单晶硅的纳米力学响应及其相变机制

编号：CPJS05504

篇名：单晶硅的纳米力学响应及其相变机制

作者：韩静[1] ;孙甲鹏[2] ;方亮[3]

关键词： 单晶硅 纳米压入 相变 塑性变形

机构： [1]中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116; [2]河海大学力学与材料学院,江苏南京210098; [3]西安交通大学金属材料国家重点实验室,陕西西安710049

摘要： 硅在大规模集成电路、MEMS/NEMS、半导体工业中具有不可替代作用,但是目前对硅的塑性变形及其相变机制的理解远未成熟.采用大规模分子动力学模拟研究（100）面的单晶硅在球形金刚石压头纳米压入过程中的纳米力学响应、相变过程和相分布规律.结果表明：在弹性变形阶段载荷-压深曲线与Hertz接触理论预测结果相吻合.两者的分离点准确地预示了塑性变形的发生.金刚石结构的Si-I相向体心结构的BCT5相转变导致了单晶硅初始的塑性变形.初始形成的BCT5相在次表面形成了一个倒置的金字塔形结构.Si-II相的形成则稍微滞后一些.在较大的载荷下BCT5在压入面上形成一个四重对称的图案分布.相对于小压头条件下大的BCT5相区,大压头更有利于SiII相的发展.卸载后生成的高压Si-II相和BCT5相全部转变为非晶硅.研究结果确认了单晶硅纳米压入中BCT5相的存在;揭示了单晶硅塑性变形的相变机理,即Si-I转变为BCT5和Si-II相;并强调了Si-I相向BCT5相转变对于单晶硅塑性变形的重要作用.