Un team di ricercatori guidato da Scott X. Mao dell'Università di Pittsburgh ha osservato su scala atomica un meccanismo precedentemente sconosciuto del cristallo guidato da taglio per trasformarsi in modo amorfo in silicio. Il documento "Osservazione in situ dell'amorfizzazione per taglio nei cristalli di silicio, " pubblicato in Nanotecnologia della natura , rappresenta una pietra miliare nello studio in situ dell'amorfizzazione del silicio.
L'amorfizzazione causata dal taglio è stata osservata in materiali legati covalentemente su larga scala durante il carico di contatto e/o gravi deformazioni plastiche come graffi sulla superficie, rientro, e fresatura a sfere. Però, il meccanismo alla base di questa trasformazione e la sua interazione con altri meccanismi di deformazione come lo slittamento della dislocazione erano sconosciuti.
"Abbiamo scelto il silicio perché è ampiamente applicato nei MEMS e nell'elettronica e la sua struttura cubica a diamante è rappresentativa di altri materiali semiconduttori, " disse Mao, l'autore corrispondente del documento e William Kepler Whiteford Professor presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e scienza dei materiali all'interno della Swanson School of Engineering di Pitt. "Questa conoscenza è fondamentale per aiutare a controllare la trasformazione amorfa del cristallo nella sintesi del silicio amorfo e nell'applicazione dei cristalli di silicio. Ha anche ampie implicazioni per altri materiali legati in modo covalente, soprattutto materiali strutturati cubici di diamante."
Utilizzando lo stato dell'arte della microscopia elettronica a trasmissione su scala atomica in situ, Il team di Mao a Pitt ha mostrato che l'amorfizzazione guidata dal taglio nel silicio cubico di diamante è guidata da una trasformazione di fase indotta dal taglio in silicio esagonale di diamante, e la nucleazione della dislocazione ha dominato la deformazione nell'ultima fase che ha portato al silicio amorfo.
Per comprendere meglio la dipendenza di questo meccanismo di amorfizzazione dagli orientamenti di caricamento, Ting Zhu ha condotto simulazioni al computer avanzate utilizzando la dinamica molecolare che hanno mostrato il comportamento meccanico della nanostruttura di silicio a livello atomico. Zhu è professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e alla School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech. La simulazione di Zhu ha rivelato modalità di dislocazione attive distinte prima dell'amorfizzazione nei nanopilastri di silicio con diversi orientamenti di caricamento.
Tale osservazione su scala atomica non era stata possibile in passato a causa della natura fragile del silicio sfuso e delle difficoltà nel mantenere le condizioni per l'imaging TEM su scala atomica durante lo sforzo meccanico continuo.
"Riducendo la dimensione dei cristalli covalenti su scala nanometrica, abbiamo eliminato i difetti che producono fratture e acquisito uno stress deviatorico relativamente elevato nel cristallo di silicio. Questo apre nuove opportunità per studiare l'amorfizzazione senza bisogno di confinamento a pressione, " ha detto Mao. "I nanopillar di silicio utilizzati nel nostro studio sono stati fissati epitassiale su wafer di silicio. Questo esempio di geometria, combinato con tecniche avanzate di nanomanipolazione, consente un orientamento del campione molto stabile richiesto per l'imaging TEM ad alta risoluzione durante la compressione continua dei cristalli di silicio ad alto livello di stress."
Le tecniche dimostrate in questo studio forniscono un metodo potente per lo studio futuro delle risposte meccaniche nei materiali legati in modo covalente. "La nostra osservazione su scala atomica fornisce informazioni dettagliate senza precedenti su come il silicio si deforma e si trasforma in amorfo; dovrebbe motivare ulteriori indagini sperimentali e modellistiche delle risposte meccaniche nei materiali legati in modo covalente, " disse Mao.
Altri ricercatori in questo studio includono Chongmin Wang, uno scienziato senior presso l'Environmental Molecular Sciences Laboratory presso il Pacific Northwest National Laboratory; Yang He e Li Zhong, Pitt Ph.D. studenti nel laboratorio di Mao; e Feifei Fan, un ex Georgia Tech Ph.D. studente nel laboratorio di Zhu e attuale assistente professore all'Università del Nevada, Reno.
