AlN，被認(rèn)為是下一代重要的半導(dǎo)體材料之一，在用作高功率集成電路基片方面有巨大的應(yīng)用前景。同時由于AlN具有高硬度的性質(zhì)，作為增強(qiáng)相被廣泛應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料。

　　AlN作為典型纖鋅礦型半導(dǎo)體材料，具有高的硬度和脆性，使得其在加工和服役過程中容易發(fā)生脆性斷裂，且產(chǎn)生較為嚴(yán)重的表面與亞表層損傷，影響加工精度和服役水平。通常半導(dǎo)體材料塑性變形過程中的非晶化會引入脆-韌性轉(zhuǎn)變，因此研究AlN非晶化機(jī)制及對相變的影響，為調(diào)控AlN非晶相及脆-韌性轉(zhuǎn)變提供理論指導(dǎo)，為相關(guān)的纖鋅礦型半導(dǎo)體材料的加工制造和服役水平奠定理論基礎(chǔ)。

　　最近，省科學(xué)院材料與加工研究所材料計算與數(shù)據(jù)團(tuán)隊的研究人員利用分子動力學(xué)模擬了纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN單晶的納米壓痕過程，重點(diǎn)探討了非晶化機(jī)制及其對相變的影響。研究結(jié)果表明隨著壓痕深度的增加，AlN單晶先后出現(xiàn)了：表面的Y型撕裂； Graphite-like 相的形核與生長；非晶相的形成和流動；Tetragonal中間相的生成。此外，對比10、40和160m/s加載速率下AlN單晶的變形行為，發(fā)現(xiàn)加載速率越大，應(yīng)力越大，非晶化的程度越高。值得注意的是，非晶相在塑性變形過程中起到媒介的作用，一方面Graphite-like相在特定方向的持續(xù)性應(yīng)力提高誘發(fā)非晶化，另一方面非晶相隨著應(yīng)力分布進(jìn)行流動，降低應(yīng)力集中，改變應(yīng)力方向，從而觸發(fā)Tetragonal中間相的生成。因此AlN塑性變形過程中非晶相的形成，引入脆-韌性轉(zhuǎn)變，有利于均勻變形。

　　相關(guān)結(jié)果以“Atomistic simulation of amorphization during AlN nanoindentation”為題發(fā)表于陶瓷材料領(lǐng)域國際知名期刊《Ceramics International》，該工作由省科學(xué)院材料與加工研究所和省科學(xué)院半導(dǎo)體研究所及德國凱澤斯勞騰工業(yè)大學(xué)共同完成，省科學(xué)院材料與加工研究所羅興工程師為文章第一作者，張志波博士為共同一作和第一通訊作者，德國凱澤斯勞騰工業(yè)大學(xué)Herbert M. Urbassek教授為第二通訊作者。

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.02.171

圖1. 納米壓痕加載-卸載速率為10m/s時，載荷(a)和接觸壓力(b)與壓痕深度的關(guān)系曲線圖. PI 和PO 分別表示pop-in 和pop-out事件。

圖2. Graphite-like相的形核和長大過程，其中壓痕深度為8.875 ?(a)、9.125 ?(b)和17.375 ?(c)。

圖3. 非晶的形核和擴(kuò)展過程，其中壓痕深度為17.5 ?(a), 18.625 ?(b), 19.125 ?(c), 22.75 ? (d) and 26 ? (e)。

圖4 原子運(yùn)動路徑定位追蹤AlN中纖鋅礦相、非晶相、Graphite-like相和Tetragonal中間相的形成過程和變形機(jī)制。

　　（省科學(xué)院材料與加工研究所材料計算研究室 羅興/供稿）