ＮＩＳＴ揭示硅材料中的疲劳效应

美国国家标准和技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种机械应力工艺，该工艺可以使块状硅晶体产生裂纹。在这之前，人们一直认为硅不受这类故障的影响。结果显示，这种工艺将普遍影响被认为具有广泛应用的硅基MEMS器件的设计。

常规测试显示，硅由于其晶体结构和化学键的性质，可避免由周期应力引起的疲劳。然而，对硅基MEMS器件最新的研究表明，这些集成微小齿轮、振动片以及其他机械部件的微观系统会因应力而产生裂纹，从而造成损坏。

在微观尺度下发生裂纹有两个可能的起因：一是由于摩擦，该效应是纯机械的；二是裂纹实质上是由腐蚀(一种化学效应)引起的。因为只有在亚微米尺度下才能看到裂纹现象，所以研究人员尚不能确认以上两个原因哪个是正确的。

该测试以直径为3mm的微小碳化钨球体为标本，以低于硅材料断点的压力按压晶体的顶部。每次用力向下按压晶体多天，均没有产生任何明显的裂纹(这与腐蚀理论相抵触)。然而，通过使用一半压力，并经过成千上万次周期测试后，在压痕处逐渐显露出一些表面损坏(这是机械破坏的一种明显迹象)。研究人员总结道，实验中的关键要素是增加了切应力(造成晶面间相互滑擦)；切应力是传统的强度试验中所没有涉及的因素，在实际应用中却并不少见。

这样的试验显示了硅在数百微米这种相对较大尺度下的疲劳效应。研究人员的下一步工作将是确定同样的机制是否适用于亚微米尺度。更多信息，请联系Michael Baum，电话001-301-975-2763，电子邮件michael.baum@nist.gov。

——Christina Nickolas