硅纳米线超大弹性变形的机理研究

Silicon is the most important semiconductor material, the dramatically enhanced carrier mobility and photoelectric conversion efficiency caused by elastic deformation have further made "strained silicon" a great commercial value in the semiconductor industry. Our previous in situ nanomechanic studies have found that high quality single crystalline silicon nanowires with diameters around 100 nm can be stretched to over 13% of elastic deformation strain at room temperature. Followed first-principles calculation works predicted that, in the case of such ultra-large elastic deformation, the band gap structure of silicon will change greatly, which is of great importance for the application of silicon in the emerging fields like "elastic strain engineering" and flexible electronics. However, there is still no direct experimental explanation for the reason why silicon nanowires can fulfill such super-elasticity behavior, and the deformation mechanism of silicon under ultra-large elastic deformation condition is still unclear. Therefore, by using in situ transmission electron microscopy nanomechanical testing strategies, the applicant intends to carry out study on the mechanism of ultra-large elastic deformation of silicon nanowires. Through the successful implementation of the project, the mechanism and necessary conditions for the realization of ultra-large elastic deformation of silicon nanowires will be revealed and summarized, which will provide guidance for the design and development of functional semiconductor devices such as “superelastic silicon”.

硅是目前半导体行业内最为重要的基体材料，而由弹性变形所引发的其载流子迁移率和光电转换效率的提升也使“应变硅”在半导体行业内实现了巨大的商业价值。我们之前的原位纳米力学实验研究发现直径在一百纳米左右的高质量单晶硅纳米线可在室温下被拉伸至超过13%的超大弹性形变，使用第一性原理计算等方法预测出在此种超大弹性变形的情况下，硅的带隙结构会发生巨大改变，这对硅在“弹性应变工程”及柔性电子器件领域内的拓展应用具有重要意义。然而，对于硅纳米线能够实现此种超大弹性的原因以及硅在“超弹性”条件下的形变机制仍无直接的实验解释。鉴于此，申请人拟通过原位透射电镜纳米力学测试的方法对硅纳米线能够实现超大弹性变形的机理从样品结构特性、应变施加条件等多方面开展实验力学研究，总结出硅纳米线能够实现超大弹性变形的机理和必要条件，为“超弹硅”等功能性半导体器件的设计和开发提供指导依据。

硅是推动现代微电子产业发展的最重要功能材料，因其优异的电学、光学、热和机械性能，使硅广泛应用于电子器件、储能器件、传感器等领域。早前的研究发现直径在一百纳米左右的高质量单晶硅纳米线可在室温下被拉伸至超过13%的超大弹性形变，这对硅在“弹性应变工程”及柔性电子器件领域内的拓展应用具有重要意义。本研究通过先进的原位纳米力学技术，在扫描电子显微镜和透射电子显微镜中对单晶硅纳米线进行原位单轴定量拉伸测试，发现了单晶硅纳米线高失效断裂强度（∼10.73 GPa）、超大的弹性形变能力（∼13.24％）和杨氏模量(∼172.42 GPa)。发现了硅纳米线在单轴拉伸应力作用下断裂应力和应变具有明显的尺寸依懒性。预测存在临界尺寸（30-60nm），当纳米线直径小于临界尺寸，表面效应主导硅纳米线的断裂行为，直径大于临界尺寸，断裂强度的尺寸效应归因于尺寸相关的缺陷密度。TEM中进行的测试发现硅纳米线<110>取向的断裂强度和形变能力明显高于<111>取向。对比TEM和SEM中的实验结果，发现高强度电子束辐照提高了硅纳米线的强度，但削弱了其形变能力。发现了硅纳米线原位拉伸过程存在两种不同的断裂类型，对硅纳米线在拉伸过程中应变段中储存的弹性势能进行了计算，揭示了断裂类型与纳米线直径的关系。使用高分辨透射电子显微镜以及电子衍射等方法分析其微观结构组织演化，这包括在变形过程中硅纳米线位错的成核和滑移机制以及层错等缺陷结构的演化行为，分析了硅纳米线在原位单轴拉伸过程中实现超大弹性的原因。硅纳米线的力学行为是复杂的，是受多种因素调控的，这些不寻常的现象有利于我们从不同的角度更加深刻的理解纳米尺度硅的力学性能，为柔性半导体电子器件的设计和制造提供了新思路。