國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體“精密制造理論與技術基礎研究”在硅的變形誘導制造新型納米結構方面取得重要進展，張振宇教授及其博士生王博、崔俊峰等以“New Deformation-Induced Nanostructure in Silicon”為題發(fā)表在國際頂級期刊Nano Letters。

         硅主導了消費電子、太陽能電池、光伏產(chǎn)業(yè)、半導體器件，成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)-電子工業(yè)的基礎。納米結構的性能相對于塊體材料得到了明顯的改善，因此硅的變形誘導納米結構在過去的50年中受到了廣泛關注和研究。目前的變形誘導方法主要是金剛石砧板、壓縮、劃擦、彎曲、納米壓痕和納米劃擦。金剛石砧板是采用靜水壓力的準靜態(tài)方法加載。劃擦的切削速度為2.67-10 mm/s，在微米尺度而不是納米尺度表征硅的顯微結構的變化。納米劃擦的速度是0.4μm/s，納米壓痕在空氣中和原位透射電鏡中的速度分別為8和60 nm/s，透射電鏡原位納米力學彎曲加載的速度為10-30 nm/s，壓縮的速度為2-4 nm/s，拉伸的速度為5 nm/s。高性能硅器件的加工和制造加載速度為15-18 m/s，因此目前的變形誘導制造納米結構的方法與實際的加工速度相差3-10個量級。

         針對這個難題，大連理工大學自行設計制造了刃口半徑為2.5μm、投影角為140.7°的單顆磨粒金剛石刀具，研制了單顆磨粒納米深度超精密磨削裝備，實現(xiàn)了磨削速度為40.2 m/s的單顆磨粒納米深度超精密磨削試驗新方法，在切削深度為33 nm的時候加工出含有非晶、新的四方相、滑移帶、孿晶超晶格和單晶的新型納米結構。第一性原理模擬揭示了新的四方相是由于Si-I相的原子沿著(11-1)面的[1-1-2]晶向滑移形成的，剪切應力為2.16 GPa，理論計算得到切削深度為33 nm時的刃口下的壓力為5.11 GPa。單顆磨粒納米深度超精密磨削試驗新方法為納米尺度變形誘導制造納米結構開辟了新的途徑。新型納米結構的不同顯微結構具有不同的力學、電學和光學性能，在晶體管、IC、二極管、太陽能電池、能量存儲系統(tǒng)、MEMS和NEMS領域具有潛在應用價值，并為新型高性能器件與裝備的設計制造提供了新的思路。

         研究工作得到了國家自然科學基金委優(yōu)秀青年科學基金、創(chuàng)新研究群體、教育部首屆青年長江學者、遼寧省高等學校創(chuàng)新人才、大連市杰出青年科技人才、星海杰青、星海青千和遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心等的聯(lián)合資助。