X射线技术，增强芯片电学与光学特性

麻省理工学院科学家们发现，利用X射线束不仅可以实时观察材料失效，还可以在实验过程中精确控制材料内部的应变量。这项新发现有望为增强半导体芯片的电学和光学特性开辟新方法，为工程师提供制造先进微电子器件的实用工具。相关研究成果已发表在《Scripta Materialia》上。

这项研究最初是为了了解关键反应堆材料在强辐射下如何分解。该团队的装置包括向通过固态脱湿法制备的镍样品发射高度聚焦的高强度X射线——固态脱湿法是通过高温加热薄膜形成单晶的工艺。他们的目标是重现核反应堆典型的恶劣条件，并研究其发生时的腐蚀和开裂情况。

随着实验的进行，研究团队发现，通过调整X射线的持续时间和焦点，他们可以通过减弱或增强内部应变来操纵晶体结构。团队先研究了镍，这是一种被纳入先进核反应堆中常用合金的材料。研究人员采用了一种称为固态去湿的过程，该过程涉及将材料的薄膜置于基底上，并在炉中将其加热到极高的温度，直到它转化为单晶。当镍被加热时，其与硅基底发生反应，形成了一个新的化合物，这实际上使整个实验脱轨。经过多次尝试，研究人员发现，在镍和基底之间添加一层薄薄的二氧化硅可以防止这种反应。

但当晶体在缓冲层上方形成时，它们处于高度应变状态。这意味着单个原子稍微移动到了新的位置，导致晶体结构发生畸变。相位恢复算法通常可以在实时恢复晶体的三维尺寸和形状，但如果材料中的应变过大，这些算法就会失败。

然而，该团队惊讶地发现，将 X 射线束长时间照射在样品上，由于二氧化硅缓冲层的存在，应变会逐渐放松。经过几分钟额外的 X 射线照射后，样品足够稳定，他们可以利用相位恢复算法准确地恢复晶体的三维形状和尺寸。

通过重建材料失效时的三维图像数据，研究人员可以设计出更具韧性的材料，使其能够更好地承受核反应堆内辐照造成的应力。研究人员表示，如果我们能够改进核反应堆的材料，就意味着可以延长反应堆的使用寿命。这也意味着材料的失效时间会更长，因此可以比现在更充分地利用核反应堆。只有通过这种技术，我们才能在腐蚀过程中以纳米级分辨率测量应变。我们的目标是将这些新颖的想法带给核科学界，同时利用同步辐射装置作为 X 射线探针和辐射源。

在完善实验时，研究人员发现他们还可以利用 X 射线束精确地控制材料中的应变，这可能对微电子学的发展产生影响。应变工程是指故意扭曲材料的晶格以提高性能，是构建更快、更高效芯片的关键步骤。传统上，这涉及机械方法或在制造过程中引入特定层。在微电子学界，工程师们常常引入应变，以一种能够增强材料的电学或光学性能的方式使其晶体结构变形。

麻省理工学院的发现表明，X 射线束可以成为制造芯片时调整应变的精密工具，这对材料科学来说意味着一举两得：对核环境中的故障有了更深入的了解，并且为电子制造提供了一种新技术。未来，研究人员希望将这种技术应用于更复杂的材料，如用于核反应堆和航空航天应用的钢和其他金属合金。他们还希望了解改变二氧化硅缓冲层厚度如何影响他们控制晶体样品中应变的能力。

伦斯勒理工学院的副教授 Edwin Fohtung 评价称，“这一发现意义重大，原因有二。首先，它为纳米级材料对辐射的响应提供了基本的见解，对于能源技术、微电子学和量子材料来说，这是一个日益重要的问题；其次，它突出了基底在应变松弛中的关键作用，表明支撑表面可以决定颗粒在暴露于聚焦X射线束时是保持还是释放应变。”