《Matter》：锗在极端温度下的微纳力学性能

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1. 研究背景

锗作为典型的金刚石结构（diamond-cubic structure）半导体，具有高硬度和低韧性。 其熔点（Tm=938 ºC）远低于其它半导体，例如硅（1414 ºC）和金刚石（3642 ºC）。实验中相同的绝对温度条件下，在锗当中能够覆盖更广泛的同系温度（homologous temperature range, T/Tm），进而研究金刚石结构半导体在广泛温度区间的力学性能。文献报道了，在半导体中由温度控制的塑性形变机理，例如采用纳米压痕抑制裂纹生长，研究了低温塑性。然而此过程中高压相变和晶体缺陷开动交互作用，互相影响。同时对于锗在广泛温度区间内的塑性机理和尺寸效应，并不清楚，也缺乏系统的研究。

近日，苏黎世联邦理工学院纳米冶金实验室（Laboratory for Nanometallurgy）的陈铭和Jeffrey M. Wheeler，联合光电显微镜科学中心的Alla S. Sologubenko，研究了单晶锗当中，温度和晶体学取向对于塑性和缺陷的影响，以及不同温度条件下的尺寸效应。相关论文以题为“Exploring defect behavior and size effects in micron-scale germanium from cryogenic to elevated temperatures” 发表在Cell旗下的材料学顶级刊Matter上。陈铭博士为第一作者，课题组组长Jeffrey M. Wheeler为通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.03.025

2.温度调控的塑性机理

微柱压缩实验显示，锗在-100 ºC – 400 ºC范围内都具有塑性。通过减小样品尺寸，首次在-100 ºC下，观察到直径500纳米的微柱，在失效之前具有2%的塑性应变。结合高分辨透射电子显微镜和瞬态测试（transient testing），对塑性变形进行了定性和定量的研究。随着温度升高，锗在3个温度区间展现了2次塑性变形机理的转变：（1）全位错到半位错的转变和（2）韧脆转变，如图一所示。对比发现，这一现象和另外一类闪锌矿结构（zincblende structure）的半导体类似。

图1：半导体中以温度为函数的塑性形变机理

3. 单晶锗的尺寸效应

微纳力学研究揭示，力学性能上的尺寸效应，广泛存在于各种材料当中。对不同尺寸的锗微柱，在不同温度条件下的压缩试验表明，尺寸效应在具有共价键的半导体当中小于金属。晶体的化学键强度越大，晶格摩擦系数也越大，尺寸效应也就越弱。同时尺寸效应，也会随着温度的升高而增强。在半位错控制的温度区间，尺寸效应最弱。

图2：锗在不同温度条件下的尺寸效应

4. 半导体器件制造启示

作为信息时代的主要材料，单晶锗是制造微电子半导器件和激光器的重要材料。本文系统研究了单晶锗在不同温度和尺度的力学性能，研究了温度控制的锗的形变机理，进一步阐明和分析了金刚石结构半导体中的缺陷行为，为生产强健和稳定的锗基半导体器件提供了重要数据和参考。（文：双雄）

[1] M. Chen, L. Pethö, A. S. Sologubenko, H. Ma, J. Michler, R. Spolenak, J.M. Wheeler. Achieving micron-scale plasticity and theoretical strength in Silicon, Nature Communications, (2020), 11(1), 1-10.

[2] M. Chen, J.P. Best, I. Shorubalko, J. Michler, R. Spolenak, J.M. Wheeler. Influence of helium ion irradiation on the structure and strength of diamond, Carbon, (2020), 337-345.

[3] M. Chen, J. Wehrs, A.S. Sologubenko, J. Rabier, J. Michler, and J. M. Wheeler. Size-dependent Plasticity and Activation Parameters of Lithographically-produced Silicon Micropillars, Materials and Design, (2020), 108506.

[4] M. Chen, J. Wehrs, J. Michler, J.M. Wheeler. High-Temperature In situ Deformation of GaAs Micro-pillars: Lithography Versus FIB Machining, JOM, (2016), 11, 2761-2767. (Cover Article)

*感谢论文作者团队对本文的大力支持

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