实验室压力机必须提供超过 15 GPa 的压力范围，因为需要这个特定的力阈值才能将硅推过其中间的高密度非晶（HDA）状态。虽然较低的压力可以实现 HDA 硅，但向极高密度非晶（VHDA）硅的转变取决于通过机械不稳定性触发独特的结构坍塌，而这只有在压力超过 15 GPa 时才会发生。
硅的非晶态转变是分阶段进行的，而不是一次性完成的。15 GPa 的要求代表了使中间相失稳并强制发生局部体积减小（这是极高密度非晶（VHDA）状态的特征）所需的临界转折点。
非晶转变的物理学
多阶段过程
非晶硅不会直接从其自然状态转变为 VHDA。该材料会经历一个顺序转变，首先是低密度非晶（LDA）硅。
中间 HDA 状态
在达到极高密度状态之前，硅首先转变为高密度非晶（HDA）硅。该相是该材料结构演化中必不可少的中间步骤或“桥梁”。
动力学途径
研究表明，需要特定的动力学途径来引导这些转变。高精度压力机用于施加快速、线性的压力增加，以从 LDA 转换为 HDA，通常需要达到 10-15 GPa 的范围才能建立这个中间前体。
为什么 15 GPa 是临界阈值
触发机械不稳定性
从 HDA 到 VHDA 的转变不仅仅是压缩材料；它需要打破 HDA 结构的稳定性。超过 15 GPa 的压力对于诱导 HDA 硅晶格中的机械不稳定性是必需的。
强制结构坍塌
一旦触发了这种不稳定性，材料就会发生结构坍塌。这不是一个渐进的变化，而是由巨大的外部压力驱动的原子结构的强制重组。
深度体积减小
这种坍塌的结果是显著的、局部的体积减小。这种深度致密化是 VHDA 硅的定义特征，如果压力峰值在 15 GPa 或以下，则无法实现。
设备选择中的常见陷阱
“最大负载”陷阱
一个常见的错误是选择一个峰值恰好在理论转变点（例如，正好 15 GPa）的压力机。如果设备无法可靠地超过 15 GPa，它可能无法克服完成 VHDA 转变所需的能量势垒，导致样品停留在 HDA 状态。
加载速率的重要性
如非晶-非晶转变（AAT）研究所示，压缩速度很重要。压力机必须能够快速线性增加压力，以模拟正确的失稳条件；缓慢或不受控制的加载可能会改变相变路径，导致不同的材料结构。
为您的研究做出正确选择
为确保成功的材料合成，请将您的设备能力与您的特定相变目标相匹配。
- 如果您的主要重点是研究 HDA 状态： 范围为 10-15 GPa 的压力机足以诱导从低密度非晶硅的转变。
- 如果您的主要重点是合成 VHDA 硅： 您需要一台能够承受远高于 15 GPa 的压力，以驱动材料完成结构坍塌的压力机。
- 如果您的主要重点是转变动力学： 优先选择能够精确控制快速压力加载速率的设备，以准确模拟机械不稳定性条件。
制备 VHDA 硅的成功取决于超越结构稳定性点施加力的能力。
摘要表：
| 状态转变 | 所需压力 | 关键结构结果 |
|---|---|---|
| LDA 到 HDA | 10 - 15 GPa | 中间桥接相 |
| HDA 到 VHDA | > 15 GPa | 机械不稳定性与结构坍塌 |
| VHDA 稳定性 | 高阈值 | 深度局部体积减小 |
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参考文献
- Zhao Fan, Hajime Tanaka. Microscopic mechanisms of pressure-induced amorphous-amorphous transitions and crystallisation in silicon. DOI: 10.1038/s41467-023-44332-6
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
