автор: Али Сандермейер, Национальная ускорительная лаборатория SLAC — https://phys.org/news/2022-10-decades-long-debate-shock-compressed-silicon-unprecedented.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter
Кремний, элемент, широко распространенный в земной коре, в настоящее время является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом и играет важную роль в таких областях, как инженерия, геофизика и физика плазмы. Но, несмотря на десятилетия исследований, вопрос о том, как материал трансформируется при воздействии мощных ударных волн, был предметом давних дебатов.
«Можно было бы предположить, что, поскольку мы уже изучили кремний во многих отношениях, открывать больше нечего», — сказала Сильвия Пандольфи, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. «Но все еще есть некоторые важные аспекты его поведения, которые не ясны».
Теперь исследователи из SLAC наконец-то положили конец этому противоречию, предоставив первое прямое, высокоточное представление о том, как деформируется одиночный кристалл кремния при ударном сжатии в наносекундных временных масштабах. Для этого они изучили кристалл с помощью рентгеновских лучей рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source (LCLS) компании SLAC. Команда опубликовала свои результаты в Nature Communications 21 сентября. То, что они узнали, может привести к созданию более точных моделей, которые лучше предсказывают, что произойдет с определенными материалами в экстремальных условиях.
«Это отличный пример эксперимента, который необходим для лучшего понимания определенных материалов», — сказала ученый SLAC Арианна Глисон, которая была главным исследователем. «Вы должны начать с простого, с монокристаллов, чтобы знать, что вы отслеживаете, и понимать это действительно детально, прежде чем вы сможете нарастить сложность, чтобы уступить место, скажем, следующему полупроводнику 21-го века, который позволит электронной промышленности продолжить замечательный прогресс, наблюдавшийся за последние 50 годы.»
Время расслабиться
Когда исследователи ударно сжимают образцы, они, по сути, сжимают материал в одном направлении. Это создает такое сильное напряжение в этом единственном направлении, что материалу нужно найти способ расслабиться. Во многих материалах это обычно приводит к пластичности, необратимой деформации, вызванной образованием и распространением дефектов, крошечных дефектов в атомном расположении материала.
В более ранних исследованиях исследователи интерпретировали различные особенности, наблюдаемые в кремнии при ударном сжатии, как признак этой пластической деформации. Но молекулярное моделирование показало иную, бездефектную деформацию.
«В нашем эксперименте мы показываем, что в случае кремния эта обычная пластичность не является основным механизмом релаксации», — сказал Пандольфи, который руководил анализом. «Вместо накопления дефектов кремний предпочитает расслабляться за счет коллективного движения своих атомов и превращения в структуру высокого давления. Это было предсказано расчетами, но до сих пор было очень трудно доказать экспериментально».
Яблоки к яблокам
С помощью прибора Matter in Extreme Conditions (MEC) в LCLS исследователи сначала направили ударную волну через образец кремния с помощью тщательно настроенного оптического лазера, что позволило им достичь чрезвычайно высоких температур и давлений. Затем они воздействуют на образец сверхбыстрыми рентгеновскими лазерными импульсами из LCLS. Затем часть рентгеновских лучей рассеялась в детекторе, что позволило исследователям наблюдать, как атомы образца перестраиваются в ответ на повышение давления и температуры во время распространения ударной волны в ультрамалых и сверхбыстрых масштабах.
Предыдущие исследования были сосредоточены на объемном отклике в образцах, состоящих из множества мелких кристаллов в различных ориентациях. Это позволило исследователям определить среднее поведение материала, но не позволило им получить полную картину. Работа с образцом монокристалла позволила исследователям проследить, как кристалл трансформировался на атомном уровне.
«Успех этого эксперимента был обусловлен невероятным сочетанием качества образца и рентгеновских лучей от LCLS», — сказал Пандольфи. «Мы смогли получить доступ к фундаментальной материаловедческой науке без необходимости учитывать искажения из-за источника рентгеновского излучения или микроструктурных дефектов в образце, которые могли бы изменить поведение материала. Это гораздо больше похоже на сравнение яблок с яблоками в теории: это позволило нам визуализировать, что происходит в том, что максимально приближено к модельной системе «.
Техника прыжка с трамплина
Способность получить атомистическое представление о том, как материалы реагируют на стресс, лежит в основе проектирования рентгеновских установок следующего поколения. Обновление Matter in Extreme Conditions Upgrade (MEC-U) создаст беспрецедентное давление в сочетании с рентгеновскими лучами более высокой энергии для исследования гораздо более широкого спектра условий, что позволит изучать сложные системы, имеющие непосредственное отношение к будущим технологиям. Примеры варьируются от полупроводниковой промышленности до термоядерной энергетики и защиты спутников.
«Мы рассматриваем это как развитие техники трамплина», — сказал Глисон. «Это может быть использовано для многих различных применений, помимо кремния, действительно расширяя возможности для новых материалов и помогая нам осветить путь к разработке этих материалов на благо человечества».
Правильное понимание физики
В продолжение этого исследования исследователи планируют опробовать методику на различных образцах с более сложным составом, чтобы лучше понять основополагающие материалы, актуальные в промышленности, а также в науках о Земле и планетах.
«Эти новые данные действительно показывают, где модели пластичности, которые используются для прогнозирования поведения материалов, правильно отражают физику и где нам нужно внести изменения», — сказал Глисон. «Есть и другие материалы, которые реагируют аналогичным образом и которые часто используются в промышленных целях. Например, высокоэффективные покрытия, способные выдерживать экстремальные условия, такие как микрометеоритные удары по космическим аппаратам. Понимание того, как эти материалы разлагаются с течением времени в этой среде, поможет нам выяснить, как предотвратить это в будущем. Все начинается с наличия точных моделей на атомном уровне».
Исследователи также планируют провести больше экспериментов с кремнием, чтобы увидеть, что происходит, когда они сжимают образец в разных направлениях, и выяснить, влияет ли то, где они прикладывают напряжение, на деформацию образца. Для Пандольфи возможность раскрыть больше неизвестного об этом вездесущем и полезном элементе является одним из самых захватывающих аспектов.
«У меня такая слабость к кремнию. Все новое, что я могу узнать об этом, очень интересно для меня», — сказал Пандольфи. «Иногда мне приходится останавливаться и думать о том, о чем мы говорим: мы смотрим на движение атомов при высоком давлении в течение миллиардных долей секунды. Тот факт, что мы можем получить такую четкую информацию о явлении, которое люди исследуют так долго, просто умопомрачителен».