Forskere løser flere tiår lang debatt om sjokkkomprimert silisium med enestående detaljer

Silisium, et element som er rikelig i jordskorpen, er for tiden det mest brukte halvledermaterialet og er viktig innen felt som ingeniørfag, geofysikk og plasmafysikk. Men til tross for flere tiår med studier, har hvordan materialet forvandles når det rammes av kraftige sjokkbølger vært et tema for langvarig debatt.

“Man kan anta det fordi vi allerede har studert silisium på så mange måter er det ingenting igjen å oppdage,” sa Silvia Pandolfi, en forsker ved Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory. “Men det er fortsatt noen viktige aspekter ved oppførselen som ikke er klare.”

Nå har forskere ved SLAC endelig lagt denne kontroversen til hvile, og gir det første direkte, høytrohetsbildet av hvordan en enkelt silisiumkrystall deformeres under sjokkkompresjon på nanosekunders tidsskalaer. For å gjøre det studerte de krystallen med røntgenstråler fra SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser. Teamet publiserte resultatene sine i Naturkommunikasjon den 21. september. Det de lærte kan føre til mer nøyaktige modeller som bedre forutsier hva som vil skje med visse materialer i ekstreme forhold.

“Dette er et flott eksempel på et eksperiment som er nødvendig for å bedre forstå visse materialer,” sa SLAC-forsker Arianna Gleason, som var hovedetterforsker. “Du må starte enkelt, med enkeltkrystaller, for å vite hva du sporer og forstå det på virkelig detaljerte måter før du kan bygge opp kompleksitet for å vike for, for eksempel, den neste halvlederen i det 21. århundre som vil tillate elektronikkindustrien å fortsette den bemerkelsesverdige fremgangen de siste 50 årene.”

Tid for avslapning

Når forskere sjokkkomprimerer prøver, klemmer de i hovedsak materialet i én retning. Dette skaper så mye stress i den ene retningen at materialet må finne en måte å slappe av på. I mange materialer fører dette normalt til plastisitet, en irreversibel deformasjon drevet av generering og spredning av defekter, små ufullkommenheter i materialets atomarrangement.

I tidligere studier tolket forskerne de forskjellige egenskapene sett i sjokkkomprimert silisium som en signatur på denne plastiske deformasjonen. Men molekylære simuleringer antydet en annen, defektfri deformasjon.

“I vårt eksperiment viser vi at når det gjelder silisium, er ikke denne konvensjonelle plastisiteten den viktigste avslapningsmekanismen,” sa Pandolfi, som ledet analysen. “Snarere enn akkumulering av defekter, foretrekker silisium å slappe av gjennom den kollektive bevegelsen av atomene og transformasjon til en høytrykksstruktur. Dette hadde blitt forutsagt ved beregning, men til nå var det svært vanskelig å bevise eksperimentelt.”

Epler til epler

På Sak under ekstreme forhold (MEC) instrument ved LCLS, sendte forskerne først en sjokkbølge gjennom silisiumprøven med en nøye innstilt optisk laser, slik at de kunne nå ekstremt høye temperaturer og trykk. Deretter traff de prøven med ultraraske røntgenlaserpulser fra LCLS. Noen av røntgenstrålene spredte seg deretter inn i en detektor, slik at forskerne kunne observere hvordan prøvens atomer omorganiserte seg som svar på økningen i trykk og temperatur under sjokkbølgeutbredelsen på ultrasmå, ultraraske skalaer.

Tidligere studier fokuserte på bulkrespons i prøver som består av mange små krystaller i forskjellige orienteringer. Dette tillot forskerne å bestemme den gjennomsnittlige oppførselen til materialet, men tillot dem ikke å få det fullstendige bildet. Arbeidet med en enkelt krystallprøve tillot forskerne å følge hvordan krystallen forvandlet seg på atomnivå.

“Suksessen til dette eksperimentet var på grunn av den utrolige kombinasjonen av prøvekvalitet og røntgenstrålene fra LCLS,” sa Pandolfi. “Vi var i stand til å få tilgang til den grunnleggende materialvitenskapen uten å måtte ta hensyn til forvrengninger på grunn av røntgenkilden eller mikrostrukturelle defekter i prøven som kunne endre hvordan materialet oppfører seg. Det er mye mer en epler-til-epler-sammenligning med teori: den tillot oss å visualisere hva som skjer i det som er så nært som mulig et modellsystem.”

Springbrettteknikk

Evnen til å få atomistisk innsikt i hvordan materialer reagerer på stress er med på å informere om utformingen av neste generasjon røntgenanlegg. The Matter in Extreme Conditions Upgrade (MEC-U) vil produsere enestående trykk kombinert med høyere energi røntgenstråler for å undersøke et mye bredere spekter av forhold, noe som gjør det mulig å studere komplekse systemer med direkte relevans for fremtidige teknologier. Eksempler spenner fra halvlederindustrien til fusjonsenergi og beskyttelse av satellitter.

“Vi ser på dette som en utvikling av springbrettteknikk,” sa Gleason. “Det kan utnyttes for mange forskjellige applikasjoner utover silisium, og virkelig skyve grensen for nye materialer og hjelpe oss å belyse veien mot å konstruere disse materialene til fordel for menneskeheten.”

Få fysikken riktig

For å følge opp denne studien planlegger forskerne å prøve teknikken på forskjellige prøver med mer komplekse sammensetninger for bedre å forstå grunnleggende materialer som er relevante i industri så vel som jord- og planetvitenskap.

“Disse nye dataene viser virkelig hvor plastisitetsmodellene som brukes til å forutsi hvordan materialer vil oppføre seg, får fysikken riktig og hvor vi må gjøre endringer,” sa Gleason. “Det er andre materialer som reagerer på lignende måter som ofte brukes til industrielle formål. For eksempel høyytelsesbelegg for å motstå ekstreme forhold som mikrometeorittstøt på romfartøyer. Å forstå hvordan disse materialene brytes ned over tid i dette miljøet vil hjelpe Vi finner ut hvordan vi kan forhindre det i fremtiden. Det hele starter med å ha nøyaktige modeller på atomnivå.”

Forskerne planlegger også å gjennomføre flere silisiumeksperimenter for å se hva som skjer når de komprimerer prøven langs forskjellige orienteringer og finner ut om hvor de påfører belastningen endrer hvordan prøven deformeres. For Pandolfi er muligheten for å avdekke flere ukjente om dette allestedsnærværende og nyttige elementet en av de mest spennende aspektene.

“Jeg har et så mykt punkt for silisium. Alt nytt jeg kan oppdage om det er så interessant for meg,” sa Pandolfi. “Noen ganger må jeg stoppe opp og tenke på hva vi snakker om: vi ser på bevegelsen til atomer ved høyt trykk i løpet av milliarddeler av et sekund. Det faktum at vi kan få så tydelig informasjon om et fenomen som folk har etterforsket i så lang tid, det er bare utrolig.”

---

---