硅材料是微電子產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)材料，也是整個現(xiàn)代信息社會的基石。隨著集成電路的特征線寬不斷降低，對硅材料的高精度加工早已從宏觀尺寸跨入了納米尺寸。因此，硅在納米尺度的機(jī)械性能對于集成電路工業(yè)具有越來越重要的意義, 在過去十幾年吸引了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

眾所周知，晶體硅是一種典型的脆性材料。有趣的是，科學(xué)家卻在各種硅納米材料中觀察到了明顯的壓應(yīng)力誘導(dǎo)塑性形變, 但是過去的研究對于這種塑形形變的機(jī)理卻長期存在爭議。最近，北京高壓科學(xué)中心的研究小組利用高壓原位同步輻射徑向X射線衍射技術(shù)精確測定了硅納米顆粒發(fā)生塑性形變過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和原子結(jié)構(gòu)變化, 從而澄清了其塑性的微觀機(jī)理，相關(guān)成果以“Origin of Plasticity in Nanostructured Silicon”為題發(fā)表于近期的《物理評論快報》上。 由于極小的樣品尺寸（往往小于100納米、甚至10納米），納米材料的力學(xué)性能一直是頗具挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域。以往對于硅納米材料的塑性形變的研究主要集中在理論計算和利用電子顯微鏡對單個納米顆粒的原位加載研究。曾徵丹研究員團(tuán)隊采用了一種“高壓徑向X射線衍射技術(shù)”來原位研究硅納米顆粒在不同應(yīng)力作用下的壓縮形變。“采用徑向X射線衍射，我們可以同時研究大量的納米顆粒，既可以觀測這些顆粒的晶體結(jié)構(gòu)及其取向關(guān)系隨應(yīng)力的變化，同時還可以定量地得到每一種相的彈性和塑性形變隨應(yīng)力的變化信息，并且實(shí)現(xiàn)其和結(jié)構(gòu)變化的直接關(guān)聯(lián)。這樣就可以幫助我們確認(rèn)到底是什么機(jī)制在主導(dǎo)硅納米顆粒的塑性變形”，曾徵丹研究員解釋到。

他們選擇了兩種不同大小的硅納米顆粒（平均直徑分別約為100納米和9納米）作為研究對象來代表較大尺寸和極小尺寸的硅材料，分別將這兩種樣品放在金剛石壓砧的壓腔中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在壓縮過程中，脆性的金剛石立方相（常壓下的穩(wěn)定相）即使在很高的應(yīng)力下也只會發(fā)生極微弱的塑性變形。但是當(dāng)應(yīng)力高過一定的臨界值，硅會從常規(guī)的金剛石立方相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己盟苄缘母邏航饘傧啵瑥亩杆侔l(fā)生顯著的塑性形變。因此，實(shí)驗(yàn)通過精確的量化證據(jù)，澄清了高壓相的產(chǎn)生才是硅納米顆粒發(fā)生顯著塑性形變的真正原因。而且，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)對于不同尺寸的硅納米顆粒，不僅發(fā)生相變的臨界壓力不同，產(chǎn)生的高壓相也不相同。尺寸較大的納米顆粒（100 納米）和體硅類似，相變成一種四方相(Si-II)；而小尺寸的納米顆粒（9納米）則會轉(zhuǎn)變成簡單六方相(Si-V)。這種差異也意味著尺寸會顯著影響硅納米材料的力學(xué)性能。 這些研究結(jié)果不但解開了硅納米顆粒發(fā)生塑性形變的秘密，也能幫助我們理解和預(yù)測不同尺寸的硅納米材料的力學(xué)性能，從而為硅材料在納米尺度的更好應(yīng)用提供指導(dǎo)。