Валерий Левитас, справа, и Сорб Йесудхас готовят вращающуюся ячейку с алмазными наковальнями для экспериментов в Аргоннской национальной лаборатории. Автор: Райан Райли/Инженерный колледж
Когда Валерий Левитас покинул Европу в 1999 году, он упаковал вращающуюся ячейку с алмазными наковальнями и привез ее в Соединенные Штаты. Он и исследователи в его группе все еще используют гораздо более продвинутую версию этого прессующего, скручивающего инструмента для сжатия и сдвига материалов между двумя алмазами, чтобы увидеть in situ, в рамках реального эксперимента, что происходит, и проверить собственные теоретические предсказания исследователей.
Как, например, изменяются кристаллические структуры? Создает ли это новые и потенциально полезные свойства? Изменяет ли сдвиг то, как высокое давление должно быть применено для создания новых фаз материала?
Это исследование «на стыке передовой механики, физики, материаловедения и прикладной математики», — написал Левитас, заслуженный профессор инженерии имени Энсона Марстона в Университете штата Айова и заведующий кафедрой инженерии имени Мюррея Харпола.
Одним из последних открытий Левитаса и его коллег является то, что кремний, важный материал для электроники, претерпевает необычные фазовые превращения, когда его прессуют и сдвигают с большими и пластическими, или постоянными, деформациями.
Журнал Nature Communicationsнедавно опубликовали результаты. Соавторами являются Левитас; и Сорб Йесудхас, научный сотрудник по аэрокосмической технике из Университета штата Айова и ключевой экспериментатор. Соавторами являются Фэн Линь, ранее работавший в Университете штата Айова; К. К. Пандей, ранее работавший в Университете штата Айова, а теперь работающий в Центре атомных исследований имени Бхабхи в Индии; и Джесси Смит из Группы совместного доступа к высоким давлениям в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, где группа проводила эксперименты по рентгеновской дифракции in situ.
Исследователи признают, что было много исследований изменений кремния под высоким давлением, но не кремния под давлением и пластической сдвиговой деформацией. В этом случае они подвергли три размера частиц кремния — 1 миллионную часть метра, 30 миллиардных частей метра и 100 миллиардных частей метра — уникальным деформациям вращающейся ячейки алмазной наковальни.
Такие «пластические фазовые превращения, вызванные деформацией, совершенно различны и обещают многочисленные открытия», — пишут исследователи.
Один эксперимент при комнатной температуре на образцах кремния 100 миллиардных частей метра в поперечнике показал, что давление в 0,3 гигапаскаля, общепринятая единица измерения давления, и пластические деформации преобразовали так называемую кристаллическую фазу кремния «Si-I» в «Si-II». Только под высоким давлением это превращение начинается при 16,2 гигапаскаля.
«Давление снижается в 54 раза», — пишут авторы.
Это прорывное экспериментальное открытие, — сказал Левитас.
«Одной из наших целей является снижение давления трансформации», — сказал он. «Таким образом, мы работаем в области, которую другие исследователи обычно игнорируют — очень низкое давление».
Кроме того, — сказал он, — цель материальных деформаций исследователей не в том, чтобы изменить форму или размер материальных образцов.
«Ключевая часть — изменение микроструктуры», — сказал Левитас. «Это вносит изменения, которые вызывают фазовые превращения».
И различные структуры кристаллической решетки различных фаз — в этой статье рассматриваются семь фаз кремния — предлагают различные свойства, которые могут быть полезны в реальных промышленных приложениях.
«Извлечение желаемых наноструктурированных чистых фаз или смесей фаз (нанокомпозитов) с оптимальными электронными, оптическими и механическими свойствами возможно с помощью этой технологии», — написали исследователи.
Это метод, который промышленность может найти интересным.
«Работа с очень высокими давлениями для этих фазовых превращений непрактична для промышленности», — сказал Левитас. «Но с помощью пластических деформаций мы можем добраться до этих традиционно высоконапорных фаз, свойств и применений при очень скромных давлениях».
После 20 лет размышлений и теоретизирования по этим материальным вопросам Левитас сказал, что он ожидал необычной реакции кремния на деформации в ячейке с вращающейся алмазной наковальней.
«Если бы я не ожидал фазовых превращений при низких давлениях, мы бы никогда не проверяли», — сказал он. «Эти эксперименты подтверждают наши несколько теоретических предсказаний, а также открывают новые задачи для теории».
Дополнительная информация: Сорб Йесудхас и др., Необычные явления фазовых превращений в кремнии, вызванные пластической деформацией, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51469-5
Информация о журнале: Nature Communications Предоставлено Университетом штата Айова
