弯曲应变下Si纳米线的原位原子尺度结构演变#王疆靖，郑坤**510152025303540（北京工业大学固体微结构与性能研究所，北京，100124）摘要：在透射电子显微镜中利用电子束辐照诱发碳支持膜卷曲变形技术，对单根[110]取向的Si纳米线实施原位弯曲变形，并利用高分辨获得了它在原子尺度的结构演变信息。实验结果表明：通过位错的产生、运动实现纳米线塑形变形，并通过位错的运动在张应力表面形成原子台阶。针对[110]取向的Si纳米线，通过建立原子模型讨论了弯曲变形下张、压应力表面台阶非对称变化的机理。关键词：Si纳米线；应变；塑性形变；原子尺度中图分类号：O482.42InSituAtomic-scaleStructuralEvolutionofSiNanowiresunderBendingStrainWANGJiangjing,ZHENGKun(InstituteofMicrostructureandPropertiesofAdvancedMaterials,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124)Abstract:Theinsitubendingdeformationof[110]-orientedSiNWswerecarriedoutinatransmissionelectronmicroscope(TEM)viamechanicalforcecreatedbytheTEMspecimensupportingcolloidalthinfilmunderthebeamirradiation,andtheiratomic-scalestructuralevolutioninformationwereobtainedbyhigh-resolutionTEM.Theresultsindicatethattheplasticdeformationswereachievedbynucleationandmotionofdislocations,andatomstepswereformedonthetensionsurfaceduetothemovementofdislocations.Wediscussedmechanismoftheasymmetricchangeofstepsonthetensionandcompressionsurfaceviabuildingatomicmodels.Keywords:Sinanowires;strain;plasticdeformation;atomicscale0引言自1998年，采用激光烧蚀法[1,2]成功大量制得Si纳米线后，它的研究取得了较大的进展，迅速成为科技界研究的热点。利用不同的方法，如化学气相沉积(CVD)、热气相沉积和有机溶剂生长[3-5]等，都成功的制备出了Si纳米线。由于Si纳米线具有稳定的半导体性质，与现代半导体技术兼容，决定了Si纳米线在微电子领域具有很好的使用价值。到目前为止，利用Si纳米线组装成各种各样的纳米器件的报道也不断涌现出来，如纳米场效应晶体管[6]、单电子探测器[7]、双方向电子泵[8]、双重门电路[9]、柔性器件[10]以及纳米线太阳能电池[11]等。这些纳米器件广泛的覆盖了诸多领域如半导体工业、能源工程、生物工程等等。这些纳米科技一旦能够应用于实际当中，不但能够突破现有工业技术，极大的改善生活环境，还能对人类生命健康起到巨大的保障作用。尽管Si纳米线在诸多领域的前景令人向往，但是由于其小的尺度，任何的“风吹草动”都会使得基于纳米线为单元的纳米器件处于应力应变的状态基金项目：国家自然基金（11004004，11374029）；2010年高等学校博士学科点基金(20101103120026)；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目；北京市科技新星项目(Z121103002512017)作者简介：王疆靖（1988-），男，学生，主要研究方向:原位电子显微学通信联系人：郑坤（1980-），男，副研，2011年全国优博获得者，主要研究方向:电子显微学、纳米力学.kunzheng@bjut.edu.cn-1-下，因此研究Si纳米线的力学性能包括强度、断裂以及应力状态下的结构演化等等，是安全开发应用这些纳米器件的前提保证。因此，人们以Si纳米线为研究对象，开展了大量的力学性能的研究，但大部分是对其弹性模量的测试研究[12-16]。这是由于单晶Si作为典型的半导体材料，同其它的半导体以及455055606570陶瓷材料一样，表现出极强的室温脆性，不同于许多面心立方金属诸如Au、Ag、Cu等可以在室温下展现出很好的韧性。对于一般的面心立方金属材料，由于其Pierels应力（定义为0K时，位错从一格点移到下一格点所需的最小应力）很低，位错很容易开动，故而在室温下能够表现出很好的延展性；而对于Si、SiC、ZnO等半导体或陶瓷材料，它们原子之间通过共价键或离子键相互作用，这类材料具有很高的能量势垒，位错的开动需要克服较高的Pierels应力，而又因为大块体材料中通常存在着许多缺陷尤其是微裂纹，它们会诱发应力的集中，致使这类材料在较低的温度下非常容易表现出脆性行为，过去的研究表明体材料的Si单晶脆韧转变...