Nano Lett.：新型硅纳米结构制备方法——形变诱导

【引言】

硅纳米结构极大地提高材料的机械、光学、电学等性能。半个世纪以来，众多科学家已经通过纳米压痕、纳米刻痕和纳米压痕等方式研究了由相变引起的硅纳米结构，但通过金刚石加压并以m/s速度的纳米级变形的方式制造纳米结构，仍未被报道。该方式为硅纳米结构开辟了新的途径，作者对其在电子产业、太阳能电池和能量存储系统的潜在应用在应用提供了新的见解。

【成果简介】

近日，大连理工大学的张振宇及中国科学院宁波工业技术研究所的江南等人，提出了一种新的硅纳米结构制备方法：利用金刚石尖端并加以一定的速度进行研磨。通过透射电子显微镜观察形变诱导的纳米结构，发现其由非晶相、四方相、滑移带、孪晶超晶和单晶组成。并通过模拟计算阐明了其形成机理。该项工作为纳米结构材料的制备提供了新的途径。相关成果以“New Deformation-Induced Nanostructure in Silicon”为题发表在Nature Letters上。

【图文导读】

图 1 划痕装置、示意图及材料SEM图片

（a）划痕装置数码照片；

（b）单个金刚石尖端SEM图；

（c）研磨Si晶片数码照片；

（d）芯片及裂纹形成示意图。

图 2 SEM形貌表征

（a）研磨后表面SEM图；

（b）划痕横截面SEM图。

图 3 横截面TEM表征

图 4 孪晶超晶格TEM、傅里叶变换图及其示意图

（a）是图3中（i）区域TEM图；

（b）是图3中（i）区域傅里叶变换图；

（c）孪晶超晶格结构示意图。

图 5 材料局部TEM图

（a）是图3中（ii）区域TEM图；

（b）是图3中（iii）区域TEM图。

图 6 局部TEM及傅里叶变换图

（a）是图3中(iv)区域TEM图；

（b）是图3中(iv)区域傅里叶变换图；

（c）图3中(iv)区域傅里叶反变换图；

（d）晶面间距图。

图 7 晶体结构模拟图

（a）超晶格晶体结构斜视图；

（b）压缩前‘110’方向示意图；

（c）压缩后‘110’方向示意图；

（d）{111}晶面示意图；

（e）平均迁移能曲线图；

（f）硅原子移动平均力曲线图。

【小结】

本文提出了一种新型的硅纳米结构制备方法：利用金刚石尖端并加以一定的速度进行研磨，获得四方相的硅纳米结构，并通过模拟计算得到四方相是{111}方向上的原子在2.16 GPa的剪应力下，沿{111}方向滑移形成的。该方法对于IC、太阳能电池和储能系统等中的应用具有重要意义。

文献链接：New Deformation-Induced Nanostructure in Silicon（Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01910）。

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