Search近日，浙江大学材料科学与工程学院杨德仁院士团队联合浙江大学基础交叉研究院高压科学与技术研究中心、物理学院陆赟豪教授课题组，在Physical Review Letters发表标题为“High Hole Doping Redirects Pressure-Induced Phase Transformation of Silicon”的研究论文。
压力诱导相变是硅片加工中不可避免的物理过程，硅的压力诱导相变也是凝聚态物理中的经典基础问题。常压金刚石结构Si-I在高压下转变为金属性Si-II相，卸压后它又可能转变成Si-III、Si-XII等亚稳晶相，或非晶硅（α-Si）相。过去数十年的研究主要关注温度、载荷、卸载速率和应力状态等外部因素。相比之下，材料自身的电子性质能否作为独立变量影响相变路径，尚有待研究。
本研究首次揭示高浓度空穴显著促进硅单晶压力诱导非晶化的现象，并阐明其物理机制。研究还在实验上首次发现，高浓度空穴也能促进Ge、4H-SiC和GaAs等半导体单晶的压力诱导非晶化，该成果将空穴浓度确立为半导体单晶压力诱导相变的关键内禀控制变量。为揭示原子机制，团队利用机器学习原子间势开展分子动力学模拟，达到密度泛函理论级精度。模拟显示，随着空穴浓度增加，非晶硅原子分数与三配位（CN=3）硅原子数量同步上升。空穴优先局域在CN=3硅原子周围，使其费米能级附近态密度展宽；电子缺失原子也从四配位为主转为三配位为主。在100皮秒等压模拟中，无空穴时，追踪硅原子的配位数在CN=3与CN=4之间可逆波动；而在0.1%空穴体系中，配位数从4到3发生不可逆转变，键长差稳定在较大值，序参量分布从约0.05移至0.45。这提供了直接的原子级动力学证据：空穴动态稳定三配位硅原子，推动长程有序不可逆坍塌，最终促进非晶化。该研究建立了空穴浓度与压力诱导相变路径之间的直接联系，揭示了空穴在共价半导体结构动力学中的隐藏角色。对于晶圆切片、研磨、抛光等涉及高压接触加载的工业过程，掺杂工程或为调控相变与加工损伤提供新思路。同时，这项工作也拓展了人们对半导体中电子与结构相互作用的传统认知。
三配位Si局域结构的动力学稳定化作用
原文链接：https://doi.org/10.1103/v636-pcxy
