СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КРЕМНИЯ, ГЕРМАНИЯ И АЛМАЗА ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ В ПЛАНЕТАРНОЙ МЕЛЬНИЦЕ
Аннотация
В настоящей работе методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения на приборе JEM-2010 исследовали по отдельности структуру порошков германия и кремния после их кратковременной обработки в планетарной мельнице в смеси с частицами алмаза (5-15% по массе). Наноструктурные кремний и германий являются перспективными материалами для термоэлектроники, производства мембран и других применений. Наличие дефектов влияет на особенности их зонной структуры. Структура и свойства кремния и германия зависят от условий обработки. Было установлено, что кроме исходной фазы кремния Si-I и германия Ge-I образцы содержали фазы высокого давления Si-IV и Ge-IV, а также двойники. На поверхности алмазных частиц иногда наблюдали фрагменты, межплоскостные расстояния в которых были равны 0,255 нм, что связано с периодическими разрывами связей в решетке алмаза. Алмазная структура в этих фрагментах оказалась нарушенной, но превращения алмаза в графит не произошло. В литературе есть данные о существовании промежуточной фазы между графитом и алмазом, кристаллическая решетка которой представляет собой периодическое расположение sp2- и sp3- связей. Эта фаза может быть представлена как слегка деформированная гексагональная решетка, состоящая из трех слоев вдоль оси c. Величина межплоскостного расстояния 0,255 нм соответствует промежуточному расстоянию между d002=0,335 нм для графита и d111=0,206 нм для алмаза. Возникновение промежуточной фазы в поверхностном слое алмаза связано с особенностями обработки алмазных частиц в планетарной мельнице. Отсутствие части межатомных связей у атомов поверхности ведет к образованию специфической кластерной структуры тонкого поверхностного слоя.
Литература
Bandet J., Despax B., Caumont M. Vibrational and electronic properties of stabilized wurtzite-like silicon. J. Phys. D. Appl. Phys. 2002. V. 35. N 3. P. 234-239. DOI: 10.1088/0022-3727/35/3/311.
Raffy C., Furthmüller J., Bechstedt F. Properties of hexagonal polytypes of group-IV elements from first-principles calculations. Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P. 75201. DOI: 10.1103/PhysRevB.66.075201.
Rödl C., Sander T., Bechstedt F., Vidal J., Olsson P., Laribi S., Guillemoles J.-F. Wurtzite silicon as a potential absorber in photovoltaics: Tailoring the optical absorption by applying strain. Phys. Rev. B. 2015. V. 92. P. 45207. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.045207.
Ovsyannikov D.A., Popov M.Y., Buga S.G., Kirichenko A.N., Tarelkin S.A., Aksenenkov V.V., Tat’yanin E.V., Blank V.D. Transport properties of nanocomposite thermoelectric materials based on Si and Ge. Phys. Solid State. 2015. V. 57. P. 605-611. DOI: 10.1134/S1063783415030208.
Koch C.C. Structural nanocrystalline materials: an overview. J. Mater. Sci. 2007. V. 42. N 5. P. 1403-1414. DOI: 10.1007/s10853-006-0609-3.
Kulnitskiy B., Annenkov M., Perezhogin I., Po-pov M., Ovsyannikov D., Blank V. Mutual transformation between crystalline phases in silicon after treatment in a planetary mill: HRTEM studies. Acta Crystallogr. Sect. B Struct. Sci. Cryst. Eng. Mater. 2016. V. 72. P. 733-737. DOI: 10.1107/S2052520616011422.
Kwon Y.-S., Gerasimov K.B., Yoon S.-K. Ball temperatures during mechanical alloying in planetary mills. J. Alloys Compd. 2002. V. 346. N 1–2. P. 276–281. DOI: 10.1016/S0925-8388(02)00512-1.
El-Eskandarany M.S. Mechanical alloying: For fabrication of advanced engineering materials. NY: Noyes Publications. 2013. 242 p.
Kurlov A.S., Gusev A.I. Model for Milling of Powders. Techn. Phys. 2011. V. 56. N 7. P. 975-980. DOI: 10.1134/S1063784211070152.
Tonkov E.Yu. Phase Transformations of Elements under High Pressure. M.: Nauka. 1979. 192 p. (in Russian).
Kulnitskiy B.A., Gordeeva T.A., Ovsyannikov D.A., Po-pov M.Yu., Blank V.D. Phase transformations of group IV elements: carbon, silicon, germanium after treatment un-der cyclic stresses up to 6 GPa. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12.
P. 10-15 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.8у.
Kulnitskiy B., Perezhogin I., Dubitsky G., Blank V. Polytypes and twins in the diamond–lonsdaleite system formed by high-pressure and high-temperature treatment of graphite. Acta Crystallogr. Sect. B Struct. Sci. Cryst. Eng. Mater. 2013. V. 69. P. 474-479. DOI: 10.1107/S2052519213021234.
Gordeeva T.A., Ovsyannikov D.A., Popov M.Yu., Kulnitskiy B.A., Blank V.D. Structure of Germanium Treated in a Planetary Mill. Phys.Solid State. 2020. V. 62. N 10. P. 1765–1768. DOI: 10.1134/S106378342010008X.
Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Popov M.Yu., Ovsyannikov D.A., Blank V.D. Peculiarities of the Twin-ningin Silicon during Ball Milling in the Presence of Two Different Materials. Symmetry. 2018. V. 10. P. 200. DOI: 10.3390/sym10060200.
Fissel A., Bugiel E., Wang C.R., Osten H.J. Formation of twinning-superlattice regions by artificial stacking of Si layers. J. Cryst. Growth. 2006. V. 290. N 1. P. 392-397. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2006.02.009.
Mylvaganam K., Zhang L.C. Nanotwinning in monocrystalline silicon upon nanoscratching. Scr. Mater. 2011. V. 65. P. 214-216. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2011.04.012.
Ruffell S., Bradby J.E., Williams J.S. Formation and growth of nanoindentation-induced high pressure phases in crystalline and amorphous silicon. J. Appl. Phys. 2007. V. 102. N 6. P. 063521. DOI: 10.1063/1.2781394.
Zhu Y.T., Liao X.Z., Wu X.L. Deformation twinning in nanocrystalline materials. Prog. Mater. Sci. 2012. V. 7. N 1. P. 1-62. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2011.05.001.
Lifshitz Y., Duan X.F., Shang N., Li Q., Wan L., Bello I., Lee T. Epitaxial diamond polytypes on silicon. Nature. 2001. V. 412. N 6845. P. 404. DOI: 10.1038/35086656.
George A. High pressure phase of c-Si. In: Properties of Crystalline Silicon IET № 20. Ed by R. Hull. L.: INSPEC. 1999. Ch. 3. P. 104-107.
Domnich V., Gogotsi Y. Phase transformation in silicon under contact loading. Rev. Adv. Mater. Sci. 2002. V. 3. P. 1-36.
Piltz R.O., Maclean J.R., Clark S.J., Ackland G.J., Hatton P.D., Crain J. Structure and properties of silicon XII: A complex tetrahedrally bonded phase. Phys. Rev. B. 1995. V. 52. N 6. P. 4072-4085. DOI: 10.1103/physrevb.52.4072.
Christian J.W., Mahajan S. Deformation twinning. Prog. Mater. Sci. 1995. V. 39. P. 1-157. DOI: 10.1016/0079-6425(94)00007-7.
Ogata S., Li J., Hirosaki N., Shibutani Y., Yip S. Ideal shear strain of metals and ceramics. Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 104104. DOI: 10.1103/PhysRevB.70.104104.
Gogotsi Y.G., Domnich V., Dub S.N., Kailer A., Nickel K.G. Cyclic nanoindentation and Raman microspectros-copy study of phase transformations in semiconductors. J. Mater. Res. 2000. V. 15. N 4. P. 871-879. DOI: 10.1557/JMR.2000.0124.
Sirdeshmukh D. B., Sirdeshmukh L., Subhadra K. G. Micro-and macro-properties of solids: Thermal, Mechani-cal and Dielectric Properties. Springer Ser. in Mater. Sci. 2006. 80. P. 414. DOI: 10.1007/3-540-31786-4.
Sumiya H., Irifune T. Indentation hardness of nano-polycrystalline diamond prepared from graphite by direct conversion. Diam. Relat. Mater. 2004. V. 13. N 10. P. 1771–1776. DOI: 10.1016/j.diamond.2004.03.002.
Blank V.D., Kulnitskiy B.A., Tatyanin Ye.V., Zhigalina O.M. A new phase of carbon. Carbon. 1999. V. 37. P. 549-554. DOI: 10.1016/S0008-6223(98)00220-6.
Blank V.D., Kulnitskiy B.A., Zhigalina O.M. Direct phase transformation of the intermediate carbon phase (ICP) into graphite under electron-beam irradiation. Superhard Mater. 2002. V. 4. P. 1-7.
Andreev V.D. Spontaneous graphitization and thermal disintegration of diamond at T>2000 K. Phys. Solid State. 1999. V. 41. N 4. P. 627-632. DOI: 10.1134/1.1130812.
Panin V.E., Egorushkin V.E., Panin A.V., Moiseenko D.D. The nature of localization of plastic deformation of solids. Zhurn. Tekhn. Fiz. 2007. V. 77. N 8. P. 62-70 (in Russian).
