剪切合成亚稳硅突破带隙与阻抗壁垒及其高效光电器件应用

本研究针对传统纳米硅材料带隙大、阻抗高的技术瓶颈，通过动态高压剪切技术（HPT）在1.4 GPa低压条件下实现硅的亚稳态相变（BC8-Si），将相变压力降低86%，获得粒径50 nm、带隙0.89 eV的双相（DC-Si/BC8-Si）纳米硅，使电阻率降低2个数量级，光电流响应提升3个数量级，为高效硅基光电器件提供了新材料平台。

　　

硅作为半导体工业的基石材料，其带隙和阻抗特性长期制约着光电器件性能。传统纳米硅虽可通过量子限域效应调控带隙，但面临粒径减小导致阻抗激增的矛盾；而高压相变合成的亚稳硅（如BC8-Si）虽具窄带隙优势，却受限于>10 GPa的超高临界压力及微米级粒径。如何实现低压、规模化制备兼具窄带隙与低阻抗的纳米硅，成为突破硅基光电器件效率瓶颈的关键难题。

吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室的研究团队创新性地采用动态高压剪切技术（HPT），通过同步施加梯度压力（1.4-2.0 GPa）与360°全周剪切，在室温下成功制备出双相（金刚石立方相DC-Si/体心立方相BC8-Si）混合的纳米硅。该技术将BC8-Si的相变压力从静态压缩所需的>10 GPa降至1.4 GPa，降幅达86%，同时实现平均粒径从5 μm到50 nm的细化。研究论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

关键技术包括：1）自主研发的300吨级HPT装置，实现轴向压力（0.1-10 GPa）与动态剪切的耦合；2）多尺度结构表征（XRD/SEM/TEM）验证BC8-Si纳米域（质量分数10%）在DC-Si基体中的均匀分布；3）紫外光电子能谱（UPS）与塔克（Tauc）分析定量能带结构演变；4）瞬态光电流响应（TPR）测试评估光电性能提升。

【结构演变】XRD显示剪切处理后在33.1°和52.3°出现BC8-Si特征峰（211/321），TEM证实其晶面间距d=0.280 nm（211）和0.181 nm（321），与标准卡片偏差仅2-3%。高分辨图像观察到DC-Si/BC8-Si相界处的位错网络，表明剪切应力诱导的塑性变形促进相变。

【电学性能】电化学阻抗谱（EIS）显示2.0 GPa处理样品的电荷转移电阻（R_ct）降至6.52×10⁴ Ω，比未处理样品（4.97×10⁶ Ω）低两个数量级。霍尔测试证实载流子浓度提升至9.83×10¹³ cm^?3（原始样品5.94×10¹² cm^?3）。

【光学特性】UV-Vis吸收边红移，带隙从1.11 eV降至0.89 eV。UPS揭示费米能级向导带移动0.7 eV，功函数降低1.39 eV（5.63→4.24 eV），形成梯度能带结构促进载流子分离。

【光电响应】TPR测试显示2.0 GPa处理样品的光响应度达1.27 A W^?1，是DC-Si的16倍，归因于BC8-Si的直接带隙特性（E_g≈30 meV）与双相界面处的快速电荷传输。

该研究通过剪切应力与压力场的协同作用，突破传统高压相变的热力学限制，首次实现亚稳硅的低压、规模化制备。所获材料兼具纳米尺寸效应（50 nm）与亚稳相优势（窄带隙0.89 eV），解决了硅基光电器件中带隙与阻抗的固有矛盾。未来通过优化HPT参数（如压力/剪切圈数），有望进一步提高BC8-Si相纯度，为高效率太阳能电池、光电探测器等器件提供革命性材料解决方案。