Scher-induzierte Amorphisierung von Silizium und Diamant

14.10.2019

© Fraunhofer IWM
Abbildung 1: Sowohl für Diamant als auch für Silizium kann unter kombinierter Druck- und Scherbelastung die Bildung einer amorphen Phase, hier in grau dargestellt, beobachtet werden. Während sich das System im Silizium-Fall im Zuge dieser Phasenumwandlung kontrahiert, vergrößert sich das System im Diamant-Fall. Als Konsequenz begünstigt Druck die Silizium-Amorphisierung und unterdrückt die Diamant-Amorphisierung.

Dr. Gianpietro Moras, Dr. Andreas Klemenz, Thomas Reichenbach, Prof. Dr. Michael Moseler, Prof. Dr. Lars Pastewka

Scherbelastung kann in kristallinen Materialien lokalisierte plastische Verformung hervorrufen. Während dies bei Metallen typischerweise durch die Bewegung von Versetzungen geschieht, können sich spröde kovalente Kristalle mit einer vergleichsweise geringen Versetzungsmobilität durch die Bildung amorpher Scherbänder plastisch verformen. Zu dieser Materialklasse gehören tetraedrische Kristalle wie Silizium und Diamant, deren Verhalten unter kombinierter Druck- und Scherbelastung technologisch von hoher Bedeutung sind. Die Amorphisierung von Silizium ist beispielsweiße verantwortlich für den nanoskaligen Verschleiß von Siliziumspitzen für die Rasterkraftmikroskopie und beeinflusst die Oberflächenqualität von diamantgeschnittenen Siliziumkristallen. Die Amorphisierung von Diamant spielt unter anderem eine zentrale Rolle beim Diamantschleifen.

In einer gemeinsamen Studie des Fraunhofer IWMs, der Universität Freiburg und Asahi Diamond Co., Ltd. wurden mittels molekulardynamischer Simulationen das Verhalten von Silizium und Diamant unter kombinierter Scherung und Kompression untersucht. Die Simulationen zeigen, wie in Abb. 1 dargestellt, jeweils die Bildung eines amorphen Feststoffes mit flüssigkeitsähnlicher Struktur bei Raumtemperatur. In Übereinstimmung mit den entgegengesetzten Dichteänderungen der beiden Kristalle beim Schmelzen ist das amorphe Material dichter als der Kristall beim Silizium und weniger dicht als der Kristall beim Kohlenstoff. Als Resultat wird die Amorphisierung durch den äußeren Druck im Silizium begünstigt, im Kohlenstoff hingegen unterdrückt.

Diese Ergebnisse sind besonders unerwartet für Silizium, dessen amorphe Struktur nur bei Drücken oberhalb des polyamorphen Übergangsdrucks flüssig sein sollte. Die Simulationen zeigen, dass dieser polyamorphe Übergang unter Scherung verschwindet und hochdichtes, flüssigkeits-ähnliches amorphes Silizium mit metallischer Duktilität auch bei geringem Druck entstehen kann. Die Resultate sind potenziell auf andere diamant-kubische Kristalle wie Germanium und hexagonales Eis übertragbar und geben Einblick in die für Reibung und Verschleiß relevanten Nichtgleichgewichts-Phasenumwandlungen.

Die Ergebnisse dieser Studie sind in der Zeitschrift Physical Review Materials veröffentlicht (www.doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.083601).