王悦存,单智伟等发现非晶硅“拉强压弱”的反常行为

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硬脆材料通常表现为“拉弱压强”。近日，西安交大研究人员发现非晶硅本征的抗拉强度其实可以远高于其抗压强度，即在缺陷极少时表现出“拉强压弱”的“反常”不对称性。上述研究有望为硅基材料在微机电系统、微纳尺度柔性电子器件等中的应用提供指导。相关成果以“Tension-compression asymmetry in amorphous Si”为题发表在最新一期的《自然材料》杂志上。
        室温条件下，宏观尺度的硬脆材料往往表现出抗拉强度远低于抗压缩强度的特性，如图（1）所示，原因是在制备和加工过程中，这些材料内部及表面不可避免地会产生微孔洞、微裂纹等缺陷，而这些缺陷对拉应力尤其敏感，导致材料的抗拉能力低于抗压能力。因此，一个自然产生的问题就是当硬脆材料内部和表面没有上述缺陷时，这种拉压不对称性是否会消失或者呈现新的表现形式？
       为了回答这一基础科学问题，西安交通大学研究人员选取非晶硅材料为研究载体，通过减小其尺寸来降低材料中存在缺陷的几率；为了排除样品差异性对实验结果造成的可能影响，利用非晶硅的断口特点，设计制备出了一种“拉-压”亚微米尺度样品：在同一样品上可先后进行定量拉伸和压缩实验，如图（2）所示。原位透射电子显微镜的定量力学测试表明，非晶硅在拉伸时的屈服强度远高于而不是低于压缩条件下的屈服强度，即“拉强压弱”而非“拉弱压强”。为揭示其内在原因，研究团队对非晶硅剪切变形过程进行了原子尺度模拟，发现垂直于剪切面的压应力会造成剪切面上剪切模量的降低，从而导致压缩下发生剪切转变（shear transformation）的能量门槛值降低，塑性变形更容易发生；但拉伸时则正好相反，剪切模量随垂直于剪切面的拉应力增加而增大，造成剪切变形更难以发生，因此可以一直保持弹性变形直至被拉到断裂（图3，图4）。

图（1）块体硅材料的拉伸和压缩曲线；图（2）同一非晶硅“拉-压”微样品上先后进行拉伸和压缩测试；图（3）非晶硅在拉应力和压应力下的剪切模量随应变量的变化；图（4）非晶硅发生剪切塑性转变所需要克服的能垒，随拉-压应变发生很不相同的变化。

         此论文由微纳中心王悦存副教授（共同第一作者）和单智伟教授（共同通讯作者），与材料创新设计中心丁俊教授（共同第一作者）和马恩教授（共同通讯作者）合作完成。参与该工作的有约翰霍普金斯大学范昭博士、哥廷根大学田琳博士，西安交大李蒙博士、博士生陆焕焕和张永强。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中国博士后科学基金及西安交大青年拔尖人才计划等项目的支持。
硅不仅是半导体工业最重要的基础材料之一，在光伏电池、液晶显示、柔性电子器件、微机电系统等领域也有着广泛的应用。由于在服役过程中，不           可避免地要承受外界应力，系统地研究并建立起半导体材料的微观结构和力学性能的关系，是其高性能长寿命应用的前提和基础。近年来，西安交大在微纳尺度硅和其它半导体材料力学特性研究上取得了一系列进展，相关研究见已发表的论文，例如：Science, 369, 542-545, (2020)；Nano Letters,20(1): 449-455, (2020)；Small, 13(1), 1601753, (2017)；NPG Asia Materials, 8(7): e291-e291, (2016)。
       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01017-z


       文章来源：西安交通大学
       单智伟，西安交通大学教授。1996年毕业于吉林大学材料与科学工程专业；1999年在中国科学院金属研究所获硕士学位；2001年赴美就读于美国匹兹堡大学机械工程系并于2005年获博士学位。2005 -2006年在位于美国劳伦兹国家实验室的美国国家电镜中心从事博士后研究工作。2006年加盟世界著名的纳米力学设备制造公司-Hysitron，并先后受聘为资深研究员、真空部门经理和Hysitron公司应用研究中心主任。2008年开始与西安交通大学开展合作，2010年正式加入西安交通大学。教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，百千万人才工程入选者，亚太材料科学院院士。现任西安交通大学材料科学与工程学院院长。2010年正式全职回国后，先后筹建创立“微纳尺度材料行为研究中心”，“Hysitron中国应用研究中心”及“西安交大-日立研究中心”等三个国际化研究中心和一个省级中心，即“陕西省镁基新材料工程中心”。学术任职包括国务院学位委员会第七届学科评议组（材料科学与工程组）成员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员，《中国材料进展》杂志副主编，2018美国材料学会期刊（MRS Bulletin）和《材料科学技术（英文版）》第五届编委会委员，中国电镜学会常务理事及聚焦离子束专业委员会主任，第四届国家新材料产业发展战略咨询委员会战略委员。
       王悦存，西安交通大学副教授。2018年6月获得西安交通大学工学博士学位， 2018年11月入职交大材料学院新讲师职位，2020年4月被聘为新副教授，主要从事基于原位电镜的材料表界面改性研究，涉及的材料包括传统钢铁、轻质镁合金及半导体等，相关研究成果发表在《Science》、《Nature Communications》《Nano Letters》等国际知名期刊上；授权发明专利两项，其中一项关于镁合金新型表面处理技术的发明专利实现成果转化，转让金额100万元。
       马恩，西安交通大学教授。材料领域的国际著名学术带头人，在揭示非晶合金和纳米结构合金的微观结构及其特性等方面做出了开创性的工作。共发表340余篇学术论文，其中36篇发表在Nature，Science，Nature Mater.和 Nature Commun.上。论文被引用44285次（Google Citation）， 单篇最高3089次，H因子为107。（截至2021年3月）2002-2012，2015，2016，2018入选汤森路透全球高被引科学家名单。
       丁俊教授于2019年11月任职于西安交通大学材料与工程学院以及金属强度国家实验室。其在2010年获得上海交通大学学士学位并且在2014年获得美国约翰霍普金斯大学博士学位。从2015年起在美国劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究。并且获得金属材料学界著名的ActaStudent Award。丁俊教授主要的研究兴趣是利用计算模拟的方法研究先进材料，包括高性能合金和相变材料，以及微纳尺度的金属力学。其共发表论文26篇，包括以第一作者/通讯作者发表的PNAS、Nature Communications、Acta Materialia等重要论文。