Si-II会直接转化为体心立方结构或菱形结构的亚稳态晶体硅

硅作为电脑、手机等电子产品的核心材料，是现代信息产业的基石。另外硅的多种亚稳态也是潜在的重要微电子材料，其每种亚稳态因其结构的不同而具有独特的电学、光学等性质，在不同领域都具有重要的应用前景。亚稳态硅可以通过硅的高压金属相β-Sn 结构的Si-II在卸压过程中发生相变而获得，其转变机理和相变路径受温度、压强、加载速率、剪切应力、样品尺寸等多种因素影响。然而，这些热力学物理因素是如何耦合在一起影响到亚稳态硅的合成的呢？目前，仍然不清楚。

近日，由北京高压科学研究中心、加拿大萨省大学、美国先进光子光源、中科院高能所和中物院一所的研究人员组成的国际研究小组利用时间分辨X射衍射技术提示了Si-II的两种不同的相变动力学过程和转变机理：一是在缓慢卸压过程中由热激发引起的晶体到晶体相变；另一种是在快速卸载过程由晶格发生机械坍塌引起的高压金属硅的非晶化。相关研究以“Temperature-and Rate-Dependent Pathways in Formation of Metastable Silicon Phases under Rapid Decompression”发表在近日的《物理评论快报》上。   在缓慢卸载过程中，他们观察到Si-II会直接转化为体心立方结构或菱形结构（bc8或r8）的亚稳态晶体硅，其相变压力和体积应变量随卸载速率变大而增大。而在一定温度下，当卸载速率达到某一临界值时，相变压力会达到一固定值，不再随卸载速率增大而变化。此时，Si-II的晶胞体积膨胀会达到一临界值，其四方结构发生机械坍塌而非晶化。  

图释：Si-II 在不同的温度，卸载速率作用下两种不同的相变路径。   实验数据证实，临界卸载速率随温度和相变势垒呈Arrhenius关系，当小于临界值时，Si-II向亚稳态硅转变时由热激发引起，其体积应变量与相变压力几乎呈线性关系，直到达到应变的临界值而非晶化。   他们的研究结果表明，卸压速率、温度、相变势垒等因素互相作用一起影响高压金属硅的相变路径和转化机理，而理解这这些因素的相互耦合关系有助于我们合成特定的亚稳态非晶硅。  

责任编辑：xj

原文标题：亚稳态硅的合成：时间、温度、压强的竞争关系

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