Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

16
Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 www.mejournal.org doi: 10.14355/me.2014.0301.03 13 Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals Y.B. Xu 1 , Z.C. Li 2 , Y.Q. Wu 3 1 Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China 2 School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 3 Ames Laboratory, Iowa State University, Ames, IA 50011, USA 1 [email protected]; 2 [email protected]; 3 [email protected] Abstract Investigations conducted by the authors into the plasticity, damage, phase transformation and fracture induced by microindentation are critically reviewed. The materials used in this study are Si and GaAs single crystals. The principal findings are the following: (a) Microindentation may induce a transition from crystalline to nanocrystalline and amorphous structure. There is a critical stress for occurrence of the transition. The shear stress, rather than hydrostatic stress is proposed to be attributed to this transition. (b) The atomicscale structures ahead of the cracktip are extended and successfully screened by a highresolution electron microscope (HREM) using both plane view and crosssectional view. It is found that the crack tip is not atomically sharp, dislocations produced during indentation lead to the crystal lattice distortion and even to a transition from crystalline lattice to disordered structure resulting in an amorphous band with a width of 12 nm ahead of the crack tip. The crack propagates along the amorphous band rather than sequential rupture of cohesive bonds. (c) The results of fast Fourier transformation and corresponding inversefast Fourier transformation fringe images from different lattice planes reveal that deformation around the cracktip is anisotropic. The lattice fringes along ( 111 ) plane are not changed and the atom arrangement on this plane is still essentially ordered, and serious lattice distortion occurs on the planes of (001) and ( 11 1 ). (d) Insitu observations by HREM show that there is a critical current density for the crystalline nucleation in amorphous area stimulated by an electron beam, and the crystalline nucleation is not related to the irradiationinduced temperature rise. Keywords Microindentation, HREM; Amorphization, Cracktip Structure, Crystallization, Fast Fourier Transformation and Inversefast Fourier Transformation Introduction Mechanical damage, including deformation, phase transformation, and microfracture induced by contact stress in the semiconductor materials is an important topic of both technological and fundamental interests. The influence of the mechanical damage on the properties of the semiconductors is crucial in the design and fabrication of nanoscale microelectonic and optoelectronic devices. In this case, microand nanoindentations have been widely used as the most common and the simplest technique both to assess mechanical properties and induce mechanical deformation damage. The entire brittle materials such as silicon and gallium arsenide have been shown to be a various kinds mechanical damages including slip, twin and phase transformation as well as cracking at ambient temperature. The phase transformation induced by indentation has been reported by using transmission electron microscopy (TEM) and high resolution electron microscope (HREM) in Si. In contrast with Si, however, there is no evidence of the phase transformation induced by indentation to be observed in GaAs, where slip and twinning had been suggested to be a major deformation mode. A number of studies of the entirely semiconductors appear to be characteristic discontinuities on the indentation loaddisplacement curves, which is called “popin”. It is proposed that this kind of event is caused by the generation of discrete dislocation loops or the phase transformation under contact stress. Although the mode of deformation induced by indentation has been extensively investigated in Si and Ge, but there has been little report on the microstructure evolution induced during indentation in compound semiconductors, especially, in GaAs. In this article, we will give a review of the microstructural aspects of the damage and fracture generated under the contact loading at ambient temperature, and even the electronbeaminduced crystallization in amorphous semiconductor resulting from researches carried out by the authors over the past 20 years. The emphasis is placed on the direct

description

http://www.me-journal.org/paperInfo.aspx?ID=7503 Investigations conducted by the authors into the plasticity, damage, phase transformation and fracture induced by micro-indentation are critically reviewed. The materials used in this study are Si and GaAs single crystals. The principal findings are the following: (a) Micro-indentation may induce a transition from crystalline to nano-crystalline and amorphous structure. There is a critical stress for occurrence of the transition. The shear stress, rather than hydrostatic stress is proposed to be attributed to this transition. (b) The atomic-scale structures ahead of the crack-tip are extended and successfully screened by a high-resolution electron microscope (HREM) using both plane view and cross-sectional view. It is found that the crack tip is not atomically sharp, dislocations produced during indentation lead to the crystal lattice distortion and even to a transition from crystalline lattice to disordered structure resulting in

Transcript of Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Page 1: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

doi: 10.14355/me.2014.0301.03

13 

Deformation Structure Induced by 

Indentation in GaAs and Si Single Crystals Y.B. Xu 1, Z.C. Li 2, Y.Q. Wu 3 

1 Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, 

Shenyang 110016, China 2 School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 3 Ames Laboratory, Iowa State University, Ames, IA 50011, USA 

[email protected]; 2 [email protected]; 3 [email protected] 

 Abstract 

Investigations  conducted  by  the  authors  into  the plasticity, 

damage,  phase  transformation  and  fracture  induced  by 

micro‐indentation are critically reviewed. The materials used 

in  this  study are Si and GaAs  single  crystals. The principal 

findings are the following: (a) Micro‐indentation may induce 

a  transition  from  crystalline  to  nano‐crystalline  and 

amorphous structure. There is a critical stress for occurrence 

of  the  transition.  The  shear  stress,  rather  than  hydrostatic 

stress  is proposed  to be attributed  to  this  transition.  (b) The 

atomic‐scale  structures  ahead  of  the  crack‐tip  are  extended 

and  successfully  screened  by  a  high‐resolution  electron 

microscope  (HREM)  using  both  plane  view  and 

cross‐sectional  view.  It  is  found  that  the  crack  tip  is  not 

atomically  sharp, dislocations produced during  indentation 

lead  to  the crystal  lattice distortion and even  to a  transition 

from crystalline lattice to disordered structure resulting in an 

amorphous band with a width of 1‐2 nm ahead of the crack 

tip. The crack propagates along  the amorphous band rather 

than sequential rupture of cohesive bonds. (c) The results of 

fast  Fourier  transformation  and  corresponding  inverse‐fast 

Fourier  transformation  fringe  images  from  different  lattice 

planes  reveal  that  deformation  around  the  crack‐tip  is 

anisotropic.  The  lattice  fringes  along  ( 111 )  plane  are  not changed  and  the  atom  arrangement  on  this  plane  is  still 

essentially  ordered,  and  serious  lattice distortion  occurs on 

the  planes  of  (001)  and  ( 111 ).  (d)  In‐situ  observations  by 

HREM  show  that  there  is  a  critical  current  density  for  the 

crystalline  nucleation  in  amorphous  area  stimulated  by  an 

electron beam, and the crystalline nucleation is not related to 

the irradiation‐induced temperature rise. 

Keywords 

Micro‐indentation, HREM;  Amorphization,  Crack‐tip  Structure, 

Crystallization,  Fast  Fourier  Transformation  and  Inverse‐fast 

Fourier Transformation 

Introduction

Mechanical  damage,  including  deformation,  phase 

transformation, and micro‐fracture induced by contact 

stress  in  the  semiconductor materials  is  an  important 

topic of both  technological and  fundamental  interests. 

The  influence  of  the  mechanical  damage  on  the 

properties  of  the  semiconductors  is  crucial  in  the 

design  and  fabrication  of  nano‐scale  microelectonic 

and  optoelectronic  devices.  In  this  case,  micro‐  and 

nano‐indentations have been widely used as  the most 

common  and  the  simplest  technique  both  to  assess 

mechanical  properties  and  induce  mechanical 

deformation damage. The entire brittle materials such 

as silicon and gallium arsenide have been shown to be 

a  various  kinds mechanical  damages  including  slip, 

twin and phase  transformation as well as  cracking at 

ambient  temperature.  The  phase  transformation 

induced  by  indentation  has  been  reported  by  using 

transmission  electron  microscopy  (TEM)  and  high 

resolution  electron  microscope  (HREM)  in  Si.  In 

contrast with Si, however,  there  is no evidence of  the 

phase  transformation  induced  by  indentation  to  be 

observed  in GaAs, where slip and  twinning had been 

suggested to be a major deformation mode. 

A  number  of  studies  of  the  entirely  semiconductors 

appear  to  be  characteristic  discontinuities  on  the 

indentation  load‐displacement curves, which  is called 

“pop‐in”.  It  is  proposed  that  this  kind  of  event  is 

caused by  the generation of discrete dislocation  loops 

or  the  phase  transformation  under  contact  stress. 

Although  the  mode  of  deformation  induced  by 

indentation has been extensively investigated in Si and 

Ge,  but  there  has  been  little  report  on  the 

microstructure  evolution  induced  during  indentation 

in compound semiconductors, especially, in GaAs. 

In  this  article,  we  will  give  a  review  of  the 

microstructural  aspects  of  the  damage  and  fracture 

generated  under  the  contact  loading  at  ambient 

temperature,  and  even  the  electron‐beam‐induced 

crystallization  in  amorphous  semiconductor  resulting 

from  researches  carried  out  by  the  authors  over  the 

past  20  years.  The  emphasis  is  placed  on  the  direct 

Page 2: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

14  

observations,  carried  out  by TEM  and HREM,  of  the 

microstructure  evolution,  including  deformation, 

phase‐transformation,  and  in  particular  deformation‐ 

behavior ahead of  the crack‐tip  in silicon and gallium 

arsenide single crystals. 

Materials and Experimental Procedures

The  <110>  oriented  Si  and GaAs  single  crystals were 

selected  for  the  studies.  The  Si  has  a  diamond‐type 

lattice  structure as  shown  in Fig. 1a, and GaAs has a 

sphalerite‐type lattice structure, which is similar to the 

diamond  lattice  structure  as  shown  in  Fig.  1b.  The 

difference  between  the  Si  lattice  structure  and  the 

GaAs lattice structure is four atoms located at the <1/4 

1/4 1/4>.  In  the GaAs,  these  four atoms are Ga‐atoms 

and  the  rest  are As‐atoms.  Both  of  them  are  typical 

brittle materials at ambient temperature. 

For  plane‐view  samples,  3  mm  diameter  discs  with 

(110)  orientation  surface  were  ultrasonically  cut, 

mechanically  ground  and  polished  to  a  thickness  of 

about 300 μm. Vickers indentations were conducted on 

the  polished  surface  by  using  a  Vickers 

super‐microindenter  (CHX‐1000,  Shanghai)  with 

different loads, 0.0049 N, 0.049 N, 0.098 N and 0.147 N, 

respectively,  in  air  at  ambient  temperature.  The 

diagonal of indenter  is selected to parallel to a certain 

direction  as  shown  in  Fig.  2.  In  order  to  increase 

success  rate  for TEM observation of  the  indentations, 

400  impresses were generally made  in  the  surface  for 

plan‐viewed  samples.  The  indented  specimens  were 

mechanically  thinned  to  approximately  80  μm  and 

dimpled  to a  thickness of about 20  μm  from  the  side 

opposite indentations. The dimpled side was ion‐beam 

thinned  to  perforation.  Finally,  a  further  5  min 

thinning was performed on both sides with  ion‐beam 

thinning  to  remove  the  materials  deposited  on  the 

surface.  The  structures  were  characterized  by  TEM 

(JEM‐2000FXII, Japan) and HREM (JEM‐2010, Japan). 

     FIG. 1 ILLUSTRATION OF CRYSTALLINE STRUCTURES FOR 

CRYSTALS, (a) Si, (b) GaAs 

For  the  cross‐sectional  view,  sandwich  method  was 

used as shown  in Fig. 3. A plate‐like specimen  (about 

0.5 mm  thickness)  of  [001]  single‐crystal  silicon was 

selected. Vickers indentations were formed with a load 

of  0.049 N  at  ambient  temperature.  The  sample was 

oriented  in  such  a  way  that  the  diagonals  of  the 

indentation  impression  were  aligned  along  <110> 

directions  in  the  (001) plane. A cross‐sectional sample 

was prepared in a sandwiched way. The specimen was 

ion‐beam  thinned.  In  order  to  obtain  electron‐ 

transparent  sections  in  the  whole  indented  region, 

further  low‐angle  ion‐beam  thinning  of  very  short 

duration (3~5 min) was carried out during intervals of 

HREM  observations,  allowing  the whole  amorphized 

region  (from  top‐side  to bottom) near  the  interface  to 

be observed clearly by HREM (JEOL 2000EXII, Japan). 

 FIG. 2 ILLUSTRATION OF SPECIMEN FOR INDENTATION TEST 

 FIG. 3 SCHEMATIC DIAGRAM OF THE SANDWICH METHOD 

FOR CROSS‐SECTIONAL OBSERVATION 

As discussed  in  the studied results, amorphous phase 

can  be  induced  in  both  Si  and  GaAs  crystals  under 

indentation,  the  related  electron‐beam  induced 

crystallization in GaAs with amorphous phase induced 

by  indentation  was  in‐situ  investigated  to  study  the 

nucleation and growth processes by using a JEM 2010 

HREM  operating  at  200  kV.  The  current  densities  of 

the  electron  beam were  selected  to  be  93,  74  and  50 

pA/cm2, respectively. 

Results and Discussion

Deformation Structures Induced by Indentation 

1) Deformation Dislocations 

Fig.  4a  shows  a  plane‐viewed  bright‐field 

observation of an indentation on the (110) Si surface. 

A  great  deal  of  tangled  dislocations  distribute 

around  the  periphery  of  the  indentation.  The 

dislocations are bended into contours and ended in 

the same place as shown in a dark‐field in Fig. 4b. It 

can  be  seen  that  the  indented  region  is 

Page 3: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

    15

characterized  by  a  devoid  of  crystallographic 

contrast. A selected area electron diffraction (SAED) 

taken from the indented region consists of diffused 

rings  (insert  in Fig. 4a),  indicating  that a  transition 

from crystal  lattice  to amorphous structure occurs. 

This kind of  result  is  confirmed  further by HREM 

observations that will be discussed later. 

   FIG. 4 PLANE‐VIEW OBSERVATIONS OF AN INDENTATION ON 

(110) Si, (a) BRIGHT‐FIELD IMAGE, (b) DARK‐FIELD IMAGE 

TAKEN FROM THE PERIPHERY OF THE INDENTATION 

Fig.  5  is  a  cross‐sectional  bright‐field  image  taken 

from  the  edge  of  an  indenter marked  by A.  It  is 

interesting  to  note  that  an  amorphous  region, 

shaped  as  an  inversed  triangle,  which  is  absent 

from the crystalline lattice. This will be discussed in 

detail later. Under the indentation, some groups of 

dislocations,  marked  by  B,  C,  D  and  E,  can  be 

observed.  It  is  reasonable  to  propose  that  the 

dislocations  belong  to  different  kinds  of 

characteristics. It is clear that the distribution of the 

dislocations around the indenter is inhomogeneous 

and  they have different natures. This  is confirmed 

further by the observation in GaAs. 

 FIG. 5 CROSS‐SECTIONAL TEM IMAGE TAKEN FROM A 

REGION NEAR BY AN INDENTATION ON (001) Si 

 FIG. 6 DEFORMED STRUCTURE INDUCED BY AN 

INDENTATION WITH A LOAD OF 0.049 N 

Fig.  6  shows  a  plane‐viewed  TEM  bright‐field 

micrograph of an indentation produced with a load 

of  0.049  N  in  GaAs  single  crystal  at  room 

temperature.  It  is  shown  clearly  that  tangled 

dislocation  distribution  around  the  vicinity  of  the 

indentation  is  inhomogeneous,  and  appears  to  be 

the  fourfold symmetry of  the  rosette, consisting of 

four‐set  long  arms,  and  four‐set  short  arm 

dislocations.  This  observation  is  similar  to  the 

earliest finding by Warren et al. as shown in Fig. 7. 

Meanwhile,  Bourhis  and  Patriarche  have  studied 

the  nanoindentation  structures  achieved  at  room 

temperature on (001) GaAs with either n‐ or p‐type 

doping, and found that GaAs with n‐doped shows 

partial  dislocations  in  the  form  of  both  long‐  and 

short rosette arms as shown in Fig. 8. 

 

 FIG. 7 FOUR‐FOLD SYMMETRY ROSETTE PATTERN AROUND 

{001} SURFACE INDENTATIONS, (a) INTRINSIC Ge, (b) GaAs 

    FIG. 8 TEM PLANE VIEW OF AN INDENTATION IN GaAs 

UNDER VARIOUS CONTRAST CONDITIONS 

Fig. 9 shows the schematic diagrams of the possible 

slip geometry  in a (110) GaAs crystalline thin film. 

It can be seen that there are six possible slip planes. 

Four  of  the  slip  planes,  (1 1 1 ),  ( 1 1 1 ),  ( 1 11) 

and  (1 1 1),  are  shown  in  Fig.  9a,  and  other  two, 

( 1 1 1)  and  ( 1 1 1 ),  are  shown  in  Fig.  9b.  The 

analysis of dislocations which are shown  in Fig. 6, 

reveals  that  the  short  rosette‐arm  dislocations  are 

parallel  to  the  direction  [ 1 12]  or  [1 1 2],  and  they 

Page 4: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

16  

glide on the planes of (1 1 1 ), ( 1 1 1 ), ( 1 11) and 

(1 1 1) in (110) GaAs crystalline thin film. 

 FIG. 9 SCHEMATIC DIAGRAM OF THE POSSIBLE SLIP 

GEOMETRY IN (110) GaAs CRYSTALLINE THIN FILM 

Fig. 10 shows TEM observations of two fields near 

an  indentation,  showing  the  long‐rosette  arm 

dislocations.  It  consists  of  the  high  dense 

dislocation structure near the center of indentation. 

The  half‐loop  shape  of  the  dislocations  and  long 

and  straight  dislocations  along  [ 1 10 ]  direction 

glide on  ( 1 1 1) or  ( 1 1 1 ) plane as  shown  in Fig. 

9b. This observation  is similar  to  the earliest study 

of Warren  et  al.,  who  attributed  to  the  different 

nobilities of α and β dislocations, and was verified 

further by Bourhis and Patriarche. 

 

 FIG. 10 TEM IMAGES OF THE LONG‐ROSETTE ARM 

DISLOCATIONS AROUND AN INDENTATION 

In order to determine the rosette‐dislocation nature, 

the diffraction contrast analysis has been made into 

one of the fields observed at present study. Fig. 11 

shows  a  bright‐field  TEM  image  taken  from  one 

corner  of  the  indentation  and  the  related  SAED 

pattern.  It  is  found  that  these  dislocations  glide 

along three sets of directions of [ 1 1 0], [ 1 1 2 ] and 

[1 1 2 ],  respectively,  during  indentation  induced 

deformation. The dislocations which are parallel to 

[1 1 0] direction glide along  ( 1 11) or  ( 1 1 1 ) plane. 

They  are  referenced  to  be  α‐type  dislocation.  The 

other two sets of dislocations lying on the planes of 

( 111 .111 .),  ( 111)  and  (111),  as  shown  in  Fig.  9, 

with  the  dislocation  line  directions  of  [ 112 ]  and 

[ 112 ],  consisting  of  the  short  rosette  arm 

dislocations,  are  proposed  to  be  the  β‐type 

dislocations. 

The characteristic of  the dislocations shown  in Fig. 

11  were  analyzed  under  different  diffraction 

conditions  as  shown  in  Fig.  12.  By  using  a 

diffraction  condition  of  g=[ 111 ],  only  the 

dislocations  along  [1 10 ] direction were detectable 

as  shown  in  Fig.  12a. When  g  is  [ 004 ],  only  the dislocations  along  [112 ] were  visible  (see  in  Fig. 

12b). Fig. 12c was  imaged using g=[113 ],  it can be 

seen  that  only  the  dislocations  along  [112 ] were 

visible  and  those  along  [1‐10]  were  slightly 

detectable.  When  g=[ 220 ],  the  dislocations  were 

not detectable besides  those  along  [110 ] direction as  shown  in  Fig.  12d.  According  to  g∙b=0,  the 

Burgers vectors can be determined to be of 1/2[110] 

for short‐rosette arm dislocations and 1/2[1 10 ]  for long‐rosette  arm  dislocations.  The  former  is  a 

mixed  type dislocation and  the  later  is pure‐screw 

one.  The  related  results  are  listed  in  Table  1.  The 

distribution  of  dislocations  induced  by  an 

indentation in silicon single is much similar to that 

in GaAs. 

 FIG. 11 THREE‐SET DISLOCATION STRUCTURE TAKEN FROM A 

CORNER OF AN INDENTATION AND THE RELATED SAED 

   

   FIG. 12 DISLOCATION ANALYSIS BY VARIOUS DIFFRACTION 

CONDITIONS, (a) g=[111] , (b) g=[ 004 ], (c) g=[113] , (d) g=[ 220]  

Page 5: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

    17

TABLE 1 DIFFRACTION CONTRACT ANALYSIS OF THE LONG‐ AND SHORT‐ROSETTE ARM DISLOCATIONS 

Fig. No.  g b (±1/2)  visible or not 

[110]  [1 1 0]  [101]  [10 1 ]  [011]  [01 1 ]  [1 1 0]  [1 1 2 ]  [ 1 1 2 ] 

12a  [1 1 1 ]  0  1  0  1  ‐1  0  visible missing  missing 

12b  [004]  0  0  2  ‐2  2  ‐2  missing  visible  missing 

12c  [1 1 3 ]  0  1  ‐1  2  ‐2  1  missing  visible  missing 

12d  [2 2 0]  0  2  1  1  ‐1  ‐1  visible missing  missing 

 

TABLE 2 CONTRAST ANALYSIS OF STACKING FAULTS AS SHOWN IN FIG. 14 

Figure 

number g 

b (±1/2)  Visible or not 

[110]  [110]   [101]  [10 1]   [011]  [ 011]   Ld*  Trl**  SFF*** 

14a  111   0  0  0  ‐1/3  2/3  ‐1/3  visible  visible  visible 

14b  111   2/3  ‐1/3  ‐1/3  0  2/3  0  missing  missing  visible 

14c  220   2/3  ‐1/3  ‐1/3  ‐1/3  2/3  ‐1/3  visible  missing  missing 

14d  113   ‐1/3  2/3  ‐1/3  1  ‐1  0  missing  visible  missing 

* Leading dislocations, ** Trailing dislocations, *** Stack‐fault fringes 

2) Stacking Faults 

As  shown  in Fig. 13,  two‐kind of morphologies of 

the  stacking  faults  had  been  observed  in  GaAs 

induced by indentation with a large load of 0.147 N. 

Fig. 13a  is a plane‐viewed TEM bright‐field  image 

of one kind of stacking  fault.  It  is seen clearly  that 

the  trace  of  the  stacking  fault  is  parallel  to  [ 220 ] 

and  they are  in ( 1 11 ) or  ( 111) planes. Diffraction contrast analysis of the partial dislocations by using 

different diffraction conditions are shown in Fig. 14 

and  the  results  are  listed  in  Table  2.  When  the 

g=[ 111 ] is used to imaging, the stacking faults and 

partial  dislocations  at  both  ends  of  the  stacking 

faults  were  visible  (Fig.  14a).  The  stacking  fault 

fringes were visible, and  the partial dislocations at 

the  end  of  the  stacking  faults  disappeared  when 

g=[ 111 ]  was  used  to  image  (Fig.  14b).  However, 

when g=[ 220 ] and [ 113 ] were used to image (Figs. 

14c and d), only leading (Fig.14c) and trailing (Fig. 

14d) dislocations are visible respectively. Therefore, 

the Burgers  vectors  of  the  partial dislocations  can 

be  determine  to  be  1/6[ 112 ]  and  1/6[ 121 ], 

respectively. 

Fig.  13b  shows  another  type  of  stacking  faults 

occurred  in  GaAs  crystal  during  indentation. 

Contrast  analysis  shows  that  this kind of  stacking 

faults  are  composed  of  the  partial  dislocations 

which  are  parallel  to  each  other  and  have  the 

Burgers vectors of 1/6[ 112 ]. 

   FIG. 13 STACKING FAULTS OBSERVED NEAR AN 

INDENTATION INDUCED WITH A LOAD OF 0.147 N IN GaAs 

   

   FIG. 14 CONTRAST ANALYSIS OF A SERIES OF PARTIAL 

DISLOCATIONS IN STACKING FAULTS, (a) g=[ 111] , (b) g=[ 111 ], 

(c) g=[ 220 ], and (d) g= [ 113 ] 

Page 6: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

18  

3) Deformation Twins 

In  addition  to  the dislocations  and  stacking  faults 

formed  during  indentation,  and  twinning  is  also 

one  of  the  important  modes  of  deformation.  As 

shown  in  Fig.  6,  two‐fold‐symmetry  deformation 

bands distribute around the indentation. An SAED 

as  shown  in  Fig.  15a were  taken  from  the  region 

marked by a circle in Fig. 6. The typical diffraction 

spots reflecting twinning can be seen obviously, the 

diffraction spots locate at the positions of ±1/3{111} 

of  that  from  the GaAs  crystal. The analysis  shows 

that the twinning plane  is {111} and  its direction  is 

<112>.  These  indicate  that  the  two‐fold‐symmetry 

deformation  bands  have  a  typical  twining 

characteristic.  The  twins  distributing  around  the 

indentation  looks  like  a  rhomboid  as  shown 

schematically in Fig. 15b. 

     FIG. 15 SAED ANALYSIS OF TWINS AROUND THE 

INDENTATION, (a) SAED PATTERN TAKEN FROM THE AREA 

MARKED BY A CYCLE IN FIG. 6, (b) SCHEMATIC DIAGRAM FOR 

THE TWIN DISTRIBUTION AROUND INDENTATION 

Fig.  16a  presents  a  typical  HREM  image  of  the 

twins.  It  can  be  found  that  each  piece  of  twins  is 

consisted of multi‐micro‐twins, and  the  twin plane 

is a  stacking  fault plane. This  is  seen more  clearly 

from  Fig.  16b,  where  two  stacking  faults  in  the 

original  location  of  the  twins  are  shown.  This 

implies  that  the  formation of  the  twin  is related  to 

the production of stacking fault closely. 

   FIG. 16 HREM IMAGES OF TWINS (a), AND TWINING 

INITIATION REGION (b) 

Indentation‐induced Phase Transition 

1) Single Crystal to Poly‐crystal Transition 

A great number of  investigations have been made 

since the first observation of high‐pressure induced 

phase  transition  by  Minomura  and  Drickamer. 

Many  of  those  studies  focused  on  the  phase 

transformation  in  Si  and  Ge,  but  there  has  been 

little  report  on  the  pressure  induced  phase 

transition in GaAs. 

Fig. 17 shows a TEM investigation of an indentation 

induced with a load of 0.0049 N in GaAs. Fig. 17a is 

a TEM bright field  image of an indentation region. 

Different  diffraction  contrasts,  which  can  be 

reduced to grey and bright contrasts, can be seen in 

the  indentation  region.  The  related  contrast 

distribution  in  the  indentation  region  is  illustrated 

in the schematic diagram  in Fig. 17b. SAEDs taken 

from the areas as  indicated by A and C  in Fig. 17b 

are shown in Fig. 17c and Fig. 17d, respectively. It is 

found  that  the 4 zones along diagonals as marked 

by  A  in  Fig.  17b  have  the  similar  contrast  that 

changes  while  tilting  the  sample  in  TEM.  The 

electron  diffraction  from  these  areas  reveals 

polycrystalline  characteristic  with  diffraction 

speckles  as  shown  in  Fig.  17c,  implying  that  a 

transition  from  single  crystal  to  polycrystal  or 

microcrystal  has  occurred  during  indenting.  A 

further  detail  can  be  obtained  from  the  HREM 

observation  as  displayed  in  Fig.  18, where many 

nano‐grains  (marked by n) with a size of about 10 

nm  can  be  observed.  These  nano‐grains,  among 

which  is  amorphous  structure,  have  different 

crystalline orientations. However,  the SAED  taken 

from other areas as marked by B and C  in Fig. 17b 

are  slightly  elongated  speckles,  indicating  that 

these  zones  are  deformed  slightly  although  they 

still keep single crystalline nature. Fig. 19 shows a 

HREM  image  taken  from  the  indentation  center, 

many  dislocations  (marked  by  D)  and  stacking 

faults (denoted by SF) can be detected. 

 FIG. 17 PLANE‐VIEWED TEM INVESTIGATION OF AN 

INDENTATION INDUCED WITH 0.0049 N, (a) BRIGHT‐FIELD 

IMAGE OF THE INDENTATION, (b) SCHEMATIC DIAGRAM OF 

THE CONTRAST DISTRIBUTION IN THE INDENTATION 

REGION, (c) SAED TAKEN FROM THE AREAS AS MARKED BY A 

IN (b), (d) SAED TAKEN FROM THE AREAS AS MARKED BY C IN 

(b) 

Page 7: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

    19

 FIG. 18 HREM IMAGE TAKEN FROM A REGION IN THE 

INDENTATION AS INDICATED BY A IN FIG. 17B 

 FIG. 19 HREM IMAGE TAKEN FROM INDENTATION CENTER, 

SHOWING DISLOCATIONS MARKED BY D AND STACKING 

FAULTS DENOTED BY SF 

2) Indenter‐induced Amorphization 

 FIG. 20 BRIGHT‐FIELD TEM IMAGE TAKEN FROM AN 

INDENTATION INDUCED WITH A LOAD OF 0.049 N, THE 

INSERT IS A SAED FROM THE INDENTATION CENTER   

It  is  interesting  to  find  that  a  transition  from 

crystalline  lattice  to amorphous  structure occurred 

during  indentation  with  the  load  of  0.049  N  in 

GaAs.  Fig.  20  shows  a  plane‐viewed  bright‐field 

TEM  image  and  related  SAED  (see  insert)  of  an 

indentation.  The  SAED  consists  of  two  diffusion 

rings. The SAED analysis  reveals  that  the  rings  in 

the  SAED  are  from  the  (111)  and  (220)  or  (113) 

crystalline  planes  and  belong  to  the  one  from 

amorphous  GaAs.  This  is  confirmed  further  by 

HREM  observation  as  shown  in  Fig.  21, where  a 

completely  disordered  lattice  area  marked  by 

‘amorphous zone’ can be seen obviously, indicating 

that  a  transition  from  crystalline  lattice  to 

amorphous  structure  occurred  under  the 

indentation. This  is a  surprising  finding and  is,  to 

the  authors’  knowledge,  the  first  observation  of  a 

crystalline  lattice  to amorphous  transition  in GaAs 

single crystal under indentation. It is also noted, as 

shown  in  Fig.  21,  that  there  are  many 

disordered/amorphous clusters  (marked by *) with 

1‐2 nm  in size, and nano‐grains  (denoted by nano) 

with different orientations and dislocations  (by D) 

distributing  along  the  interface  between  the 

amorphous  and  crystalline  lattice  zones.  It  is 

reasonable  to  propose  that  the  crystalline  to 

amorphous transition may go through a crystalline 

lattice  deformation  and  distortion,  rather  than 

lattice abrupt collapse. 

 FIG. 21 HREM IMAGE OF THE INTERFACE REGION BETWEEN 

CRYSTALLINE AND AMORPHOUS PARTS IN A 0.049 N LOAD 

INDUCED INDENTATION 

It is surprising to note that deformation behavior in 

silicon  induced  by  indentation  is much  similar  to 

those  in  GaAs  single  crystal.  Fig.  22  is  a  typical 

TEM  observation  of  an  indenter  made  on  (110) 

silicon single crystal. As  the same  that seen  in Fig. 

20,  the  diffusion  diffraction  rings  taken  from  the 

center  of  the  indenter,  shown  inserted  in  Fig.  22, 

indicate  that  the  amorphization  took place  as  that 

in GaAs. This can also be further verified by HREM 

observation as shown in Fig. 23, where two regions 

the amorphous region at the lower part are marked 

by  a‐Si  and  the  crystalline  one  at  upper  part  is 

marked by c‐Si.   

 FIG. 22 PLANE‐VIEW TEM IMAGE OF AN INDENTED REGION 

ON (110) Si SURFACE, AND THE INSERT SAED IS TAKEN FROM 

THE INDENTATION CENTER 

Page 8: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

20  

 FIG. 23 HREM IMAGE TAKEN FROM AN INDENTATION 

CENTER IN Si SINGLE CRYSTAL, SHOWING THE 

PHASE‐TRANSFORMATION TAKEN PLACE FROM 

CRYSTALLINE LATTICE TO AMORPHOUS STRUCTURE 

In  contrast  with  the  crystalline  region,  the 

disordered lattice and amorphous region is a strong 

evidence  for  the  occurrence  of  the  transition  from 

crystalline  to  amorphous  in  silicon.  From  uneven 

interface between  the  two  regions of  c/a Si,  and  a 

great deal  of defects  such  as micro‐twins,  clusters 

with  lattice  disorder  marked  by  the  arrows, 

indicating  again  that  this  kind  of  transition  goes 

through  middle  severe  lattice  deformation  stage, 

rather than crystalline lattice sudden collapse. 

In  order  to  verify  the  amorphous  matter 

underneath  the  indenter  produced  by  the 

indentation  rather  then  by  TEM  specimen 

preparation  process,  A  GaAs  thin  foil  with 

indentations  induced with the  load of 0.049 N was 

annealed  at  500°C  for  60 min,  and  then TEM  film 

was prepared. The observations are  shown  in Fig. 

24.  It  is  found  that microcrystalline  grains  appear 

inside the  indentation  in the annealed sample. The 

SAED  (see  insert  in  Fig.  24a)  taken  from  the 

indenter  shows  polycrystalline  rings  with  some 

diffraction  spots  instead  of  amorphous  ones, 

implying that recrystallization took place inside the 

indentation where  amorphous  characteristic  were 

observed as shown in Figs. 20 and 21. HREM image 

(see  Fig.  24b)  taken  from  the  indenter  in  Fig.  24a 

demonstrates  that  there  are many  nano‐grains  in 

the indented region. 

 FIG. 24 MICROSTRUCTURES OF AN INDENTATION SUBJECTED 

ANNEALING AT 500 °C/60 MIN OBSERVED BY, (a) TEM, (b) 

HREM 

Electron‐beam‐induced Crystallization 

1) In‐situ Observation 

The several mechanisms for electron‐beam‐induced 

crystallization  have  been  proposed  by  some 

researchers  and  are  involved:  elastic‐  collision‐ 

driven  recrystallization,  plastic‐interaction 

promoted  defect  motion  and  electron‐  beam‐ 

induced  induced  recrystallization.  Jenčič  et al have 

considered  that  crystallization  is  a  plastic  or 

ionization process which is a cut and recombination 

of the atomic bonds. Narayan has proposed that the 

matter migration occurred at  interface between the 

crystalline  and  amorphous  as  the  crystallization. 

However,  there  have  been  fewer  in‐situ 

observations  of  the  nucleation  and  growth  of 

recrystallization  induced  by  electron‐beam, 

especially, in amorphous GaAs. 

Fig.  25  shows  TEM  images  and  corresponding 

SAED  taken  from  the  same  fields  (marked  by  a 

arrow)  before  (Fig.  25a)  and  after  (Fig.  25b) 

electron‐beam  irradiation.  It  can  be  seen  that  the 

diffusion  rings  before  electron‐beam  irradiation 

(Fig. 25a) becomes typical polycrystalline rings with 

diffraction  spots  (Fig.  25b),  implying  that 

recrystallization  occurred  in  this  field  after 

electron‐beam  irradiation.  This  can  be  also 

confirmed  by  the  changes  of  the  diffraction 

contrast. 

   FIG. 25 TEM OBSERVATIONS OF ELECTRON‐BEAM INDUCED 

STRUCTURE CHANGE OF AN AMORPHOUS REGION SUBJECTED 

TO AN IRRADIATION WITH CURRENT DENSITY OF 73 pA/cm2, (a) 

BEFORE IRRADIATION, (b) AFTER IRRADIATION 

Page 9: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

    21

Fig. 26 shows a series of in‐situ HREM observations 

of  the  electron‐beam‐irradiation  crystallization  in 

an  amorphous GaAs  induced  by  indentation.  The 

same  region  was  investigated  after  various 

electron‐beam‐irradiation  time.  Fig.  26a  shows  an 

amorphous region induced by indentation in GaAs 

single  crystal,  showing  a  typical  amorphous 

structure.  Fig.  26b  shows  a  HREM  image  of  the 

same field as shown in Fig. 26a after irradiation for 

10 min. One can see  that  there are several clusters 

(marked  by  arrows)  with  atomic  scale  appeared. 

After  irradiation  for 30 min,  these clusters become 

the  nano‐grains  with  a  certain  crystallographic 

orientation as shown  in Fig. 26c. As  the  increasing 

irradiation  time,  nano‐grains  with  random 

orientations increase as shown in Figs. 26d, 26e and 

26f. When  irradiation  for 120 min  (see  in Fig. 26e), 

this  region  appears many  nano‐grains.  And  after 

180  min  irradiation,  the  whole  area  becomes 

crystalline zone as shown in Fig. 26f. 

 

 

 

 

 

 FIG. 26 IN‐SITU HREM OBSERVATIONS OF THE 

CRYSTALLIZATION OF AMORPHOUS GAAS WITH DIFFERENT 

IRRADIATION TIME, (a) 0 MIN, (b) 10 MIN, (c) 30 MIN, (d) 60 MIN, 

(e) 120 MIN, (f) 180 MIN 

2) Crystallization Mechanism 

It is believed that the electron‐beam irradiation can 

result  in  the  temperature  rise  of  the  samples. 

According  to  the  calculated  temperature  rise  for 

Fe78Si12B10  of  557°C  induced  by  electron‐beam 

irradiation, Fisher and Liu  et al. proposed  that  the 

crystallization  induced  by  electron‐beam 

irradiation is the result of the temperature rise. 

The  temperature rise at  the center of  the specimen 

induced  during  electron‐beam  irradiation  is 

expressed by 

ΔT=4

I

ke(

E

d

)(γ+2

b

a)                                          (1) 

where,  e  is  electron  charge,  γ  is  a  Euler  constant 

(0.5772), a  is Gaussian width of the beam (effective 

diameter  of  the  beam),  b  is  the  radius  (equal  to 

diameter of the specimen), k is thermal conductivity 

coefficient  (is  44 Wm‐1K‐1  for GaAs),  I  is  the beam 

current  rate,  and  ΔE  is  the  loss  of  energy  of  an 

electron crossing the distance d in the specimen. 

The  Eq.  (1)  is  modified  as  following  when  the 

specimen has a hole at the center: 

ΔThole=I

ke(

E

d

)ln

0

b

r                            (2) 

where, r0    is effective diameter of the current beam. 

If  the  loss  in  energy  is  small  relative  to  initial 

energy,  ΔE/d  becomes  dE/dx  (stopping  power). 

Therefore, it is found: 

–dE

dx=

4

2 2

r e

m c

[ln2 2

2

mc

I

+F(β)]              (3) 

where, 

F(β)=21

2

+

2

1

2( 1) [

2

8

‐(2 +1)ln2]              (4) 

Page 10: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

22  

here,  e  is  electron  charge,  n  is  the  density  of  the 

target material, m is the electron mass, c is the light 

speed, β=v/c, v  the electron speed, τ  is  the radio of 

the electron energy to dynamic energy (E/mc2). The 

temperature rise in GaAs induced by electron‐beam 

irradiation at 300 keV is 7.0°C by using Eqs. (3) and 

(4). 

According  to Eqs.  (1) and  (2),  the  temperature rise 

in  GaAs  during  irradiation  with  acceleration 

voltage of 200 keV and the beam current density of 

94 pA/cm2 was calculated to be about 10.8°C. While 

the  parameters  were  selected  as  following:  the 

radius b  (equal  to diameter of  the specimen)  is 1.5 

mm, the width of the specimen d is 20 nm. Table 3 

lists the temperature rise of some materials induced 

during electron‐beam irradiation collected from the 

references.  It  can  be  found  that  the  temperature 

rises  of  all  materials  listed  in  Table  3  are  much 

lower  for  them  to  reach  their  recrystallization 

temperatures. Although the calculated temperature 

rises of  the GaAs at 200 keV are different between 

the  present work  and  that  by  Jenčič  et  al.  for  the 

different effective diameters r0 of  the current beam 

and  the beam current  rates, both of which are not 

large  enough  for  obtaining  the  recrystallization 

temperature  of  GaAs  (300°C).  Therefore,  it  is 

reasonable  to  propose  that  the  crystallization  in 

GaAs  induced  during  irradiation  is  related  to  the 

electron‐beam  current density,  rather  than  the  rise 

in temperature. 

On  the  other  hand,  Meldrum  found  that  the 

crystallization  occurred when  both  the  phosphate 

glass and amorphous fluorapatite in liquid nitrogen 

were  irradiated.  Jenčič  et  al  also  found  that 

crystallization can still occurred when both Si and 

GaAs were irradiated by electron beam under 30 K. 

All these indicate that the irradiation‐crystallization 

is independent of temperature rise. Meanwhile, the 

present  study  shows  that  the  electron‐beam 

irradiation  could  not  induce  crystallization  of 

amorphous GaAs even for a long time, e.g. 120 min, 

until  the  beam  current  is  larger  than  50  pA/cm2. 

This  implies  that  there  is  a  critical  electron‐beam 

current  to  be  required  for  occurrence  of  the 

crystallization  induced  by  electron‐beam 

irradiation. 

On the other hand, there are a number of models to 

describe  the  interracial  growth  of  crystallization 

Jenčič  et  al  reported  that  crystallization  occurs  at 

electron‐beam  energy  of  50  keV  (acceleration 

voltage of 50 kV) in Si, Ge, GaP and GaAs, and the 

higher  the  electron‐beam  energy  is,  the  lower  the 

growth rate of crystallization is. 

Jenčič  et  al  also  found  that  the  growth  rate  of 

crystallization  is  the  lowest  when  the  electron 

energy  is  near  the  threshold  value  for  atom 

displacement.  Therefore,  inelastic  energy  loss 

mechanism is responsible for the crystallization and 

growth under  low electron‐beam  irradiation (< 100 

keV). However, when  the  electron‐beam  energy  is 

high,  for example, higher  than 100 keV,  the elastic 

energy  is  proposed  to  promote  the  motion  and 

rearrangement  of  the  atoms  or  defects  at  the 

interface  between  the  amorphous  and  crystalline 

(a/c)  regions,  implying  that  the  elastic  energy,  on 

one hand, may  induce production of the defects in 

crystalline materials, on  the other hand,  can make 

the crystalline growth at the a/c interface. 

 

TABLE 3 THE PARAMETERS OF THE TEMPERATURE RISE FOR VARIOUS MATERIALS INDUCED DURING ELECTRON IRRADIATION 

Electron 

Energy (keV) 

Temperature rise (°C) 

Si†  Ge†  GaP†  GaAs†  GaAs§  LaPO4‡  Zircon‡  ScPO4‡ 

50  0.2  0.6  0.4  0.9    7.1    6.6 

100  0.5  1.8  1.3  2.7    11.9    10.9 

150  0.8  2.6  1.9  3.8    19.1    17..4 

200  0.3  0.9  0.7  1.4  10.8  41.1  19.0  40.0 

250  0.4  1.3  0.9  1.9         

300  1.4  4.8  3.5  7.00         

Note: † from refs. 30 and 31; ‡ from ref. 37; § from this work 

Page 11: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

    23

The present  in‐situ HREM  observation  shows  that 

the  crystallization  of  the  amorphous  GaAs  is 

related closely to the electron‐beam current density. 

The  larger  the electron‐beam current  results  in  the 

larger  the  energy  (ΔE)  obtained  in  an  irradiated 

zone  in  per  area  per  time. When  the  energy  (ΔE) 

reaches  a  critical  value,  it may  excite  the  fracture 

and re‐arrangement of the atomic bonds, leading to 

nucleation  and  growth  of  the  crystalline.  On  the 

other hand, when the beam‐current density is lower 

than 50 pA/cm2 in present work, the energy carried 

by  electrons  is  not  large  enough  to  make  the 

re‐arrangement of the atomic bond in the irradiated 

zone.  However,  the  larger  beam‐current  density, 

for  example,  74  pA/cm2,  can  obviously make  the 

occurrence of crystallization, and as the increase in 

the beam‐current density  (93 pA/cm2),  the  rate  for 

nucleation and growth of crystallization increase in 

the amorphous GaAs. 

Sutton  et  al.  also  found  that  crystallization  is  an 

instantaneous  process,  where  a  weak  ordered 

structure in the amorphous zone is as the precursor 

of  crystallization,  and  then  this  kind  of  weak 

ordered  structure  may  transfer  the  ordered 

crystalline. Obviously,  the weak‐ordered  structure 

is  similar  to  the  atomic  clusters  observed  in  the 

present work.  It  is  found  that  the  clusters with  a 

size  of  nano‐scale  occurred  when  the  irradiation 

reached 10 min as shown in Fig. 26b, and this kind 

of  clusters may act as  the nuclei of  crystallization. 

And as  increasing  irradiated  time,  the nuclei grow 

gradually  at  the  amorphous  and  crystalline nuclei 

interface.  So  it  is  reasonable  to  propose  that  the 

crystallization  may  involve  two  processes:  the 

atoms  in  the amorphous zone ahead of  the cluster 

form a new ordered cluster by diffusion, and  then 

these  clusters  growth  into  the  nucleus  of  the 

crystalline grains. 

Deformation and Cracking Ahead of Crack‐tip 

The brittle fracture of structural materials has been the 

project  of  numerous  theoretical  and  experimental 

investigations  since  the  earliest  explanations 

developed  by  Inglis  and  Griffith,  but  the  basic 

mechanism  of  the  phenomenon  has  hitherto  been 

unclear. The major reason for this is that the structure 

and deformation behavior at the crack tip under stress 

is not well understood at present. The structure at the 

crack tip induced by stress is the so called “black box”, 

although some models had been developed as shown 

in  Fig.  27. Continuum media mechanics  is  shown  to 

have intrinsic limitation in its capacity to deal with the 

structural change that occurs in the “black box” at the 

atomic scale. Hockey and Lawn have  investigated  the 

fracture behavior of the brittle materials Si, Ge and SiC. 

They suggested that the crack tips are atomically sharp 

and  there  is  no  evidence  for  dislocation  activity  or 

plasticity  associated with  crack  propagation  at  room 

temperature. Their atomically sharp model is in fact in 

agreement with  the  earlier  idea of  the  lattice‐trapped 

theory and cohesive force theory. Evidence supporting 

the concept of an atomically sharp crack mainly came 

from  the  earlier  TEM  studies  of  crack  tips,  and  that 

was verified later by HREM and high‐voltage electron 

microscope (HVEM) studies. Those studies commonly 

showed that there was no evidence of micro‐plasticity 

near the crack tips, and successive debonding between 

two  adjacent  lattice  planes  was  the  basic  fracture 

model in the covalent crystals. Recent observations by 

HVEM  and  atomic  force  microscopy  (AFM)  have, 

however,  indicated  that dislocations might be emitted 

from  a  crack  tip  induced  by  indentation  in  silicon 

when the temperature was raised to higher than 552°C 

to  activate  dislocation  sources.  The  key  to 

understanding the structure and deformation behavior 

of  a  crack  tip  in  a brittle material  is  to make  a  crack 

with  a  very  sharp  tip,  and  then  to  make  direct 

observations at the atomic scale. 

 

 

 FIG. 27 ILLUSTRATION OF VARIOUS CRACK TIP MODELS, (a) 

ATOMICALLY SHARP CRACK MODEL, (b) 

QUASI‐ONE‐DIMENSIONAL MODEL OF A SHARP CRACK, 

WITH NONLINEAR CHARP‐TIP BOND EMBEDDED IN A 

LINEAR “LATTICE”, (c) DUGDALE‐BARENBLATT MODEL OF 

THE CRACK‐TIP 

Page 12: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

24  

Fig.  28  shows  bright‐field  TEM  images  of  the  cracks 

induced by Vickers indentation with a load of 0.049 N 

on the surface of (110) Si and GaAs. It is interesting to 

find  that  the mircocracks  appear  at  the  intersections 

between  the  slip  bands,  rather  than  at  the  corners of 

the indenter as shown in Fig. 28c. 

To  explore  the  origin  and  nature  of  the  cracks,  an 

observation  ahead  of  the  crack‐tip was made  on  the 

diffraction contrast scale as the first step. Fig. 29 shows 

a image at a crack tip induced by indentation in single 

crystal  Si.  It  was  found  that  the  crack  tip  can  emit 

several  groups  of  dislocations  which  can  interact  to 

form  the  dislocation  network.  This  implied  that  the 

crack tip appears plastic behavior. 

   

 FIG. 28 TEM BRIGHT‐FIELD IMAGE, SHOWING A SMALL 

CRACK WITH A VERY SHARP TIP APPEARED AT THE 

INTERSECTION BETWEEN SLIP BANDS, (a) IN Si, (b) IN GaAs, 

AND (c) SCHEMATIC DIAGRAM OF THE CRACK PRODUCTION 

 FIG. 29 CROSS‐SECTION IMAGE OF DISLOCATION EMISSION 

FROM THE CRACK‐TIP IN SILICON SINGLE CRYSTAL 

DEFORMED UNDER INDENTATION 

Fig.  30  is  a  group  of HREM  images  taken  from  the 

crack tip in Fig. 28b. Fig. 30a shows in detail the crack 

tip structure induced by an indentation with a load of 

0.049  N.  It  is  fascinating  to  find  that  a  series  of 

amorphous clusters (indicated by “a”) about 2‐3 atoms 

in width  are  separated by  areas of  crystalline  fringes 

(indicated by “c”), and they are distributed alternately 

between  the  crack  walls.  As  the  indentation  load 

increases  to  0.098 N,  an  amorphous  band  of  1‐2  nm 

width  forms  between  the  crack‐walls  and  the  crack 

propagates along the amorphous band as shown in Fig. 

30b, which is a magnified HREM image taken from the 

left part of  the Fig. 30a. The process of  the  transition 

from  a  crystalline  lattice  to  a  disordered  structure 

along the propagation direction of the crack tip and the 

fact  that  the  disordered  regions  between  the  crack 

walls  (Fig.  30a)  are  connected  to  form  an  amorphous 

band  (Fig. 30b) can be clearly seen. The displacement 

in atomic arrangement between both sides of the crack 

(indicated by FD in Fig. 30b) and dislocations indicated 

by  D  is  apparent  (Fig.  30b).  Electron  diffraction 

analysis  shows  that  the  three group of  atomic planes 

are (001), ( 111) and ( 111 ), respectively, and the extent 

of  the atomic disorder  is quite different  in  these  three 

planes  as  shown  in  Fig.  30b.  The  lattice  disordered 

extent  is  the  lightest  in  ( 111), and  the most  severe  in 

( 111 ),  in which  the  atom  arrangement  is  completely 

disordered. 

 

 FIG. 30 HREM IMAGES TAKEN FROM A REGION AHEAD OF A 

CRACK TIP, (a) A SERIES OF CLUSTERS WITH DISORDERED 

LATTICE MARKED BY “A” BETWEEN THE CRACK WALLS, (b) A 

MAGNIFIED HREM IMAGE TAKEN FROM THE CRACK TIP, 

SHOWING AMORPHOUS BAND WITH 1‐2 NM IN WIDTH, 

DISLOCATIONS (DENOTED BY D), AND DISPLACED LATTICE 

(DENOTED BY DL) AHEAD OF THE CRACK TIP 

In  order  to  confirm  further  the  results  obtained  by 

HREM  observations  mentioned  above,  fast‐Fourier 

transformation  (FFT)  and  Inverse‐fast  Fourier 

transformation  (IFFT)  were  performed  on  areas 

selected  near  the  crack  tip.  Fig.  31  shows  an HREM 

image of a  crack  tip, and  the FFT  results  (denoted as 

FFT‐SAED)  from  two  selected  regions marked by  the 

squares I and II are inserted, respectively. According to 

the  FFT‐SAED,  IFFT  transition was  performed  to  get 

the  corresponding  IFFT  fringe  images  for  the  three 

planes  of  ( 111),  (001)  and  ( 111 ),  respectively.  Figs. 

32a,  32b  and  32c  present  the  IFFT  fringe  images 

resulting from the related FFT‐SAEDs ( 111), (001) and ( 111 ),  respectively, corresponding  to  the  region  II as 

shown  in  Fig.  31.  It  is  fascinating  to  find  that  the 

fringes  are  not  changed  on  the  ( 111)  plane,  and  the atom arrangement is still essentially ordered (Fig. 32a). 

Page 13: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

    25

However,  the  lattice  arrangement  ahead  of  the  crack 

tip is distorted seriously on the (001) and ( 111 ) planes 

and  dislocations  occurring  on  the  (001)  and  ( 111 ) 

planes  as  shown  by  arrows  in  Figs.  32b  and  32c. 

Similar results were obtained from square I in Fig. 31. 

As  shown  by  arrows  in  Figs.  32d,  32e  and  32f,  the 

fringes keep a normal arrangement  essentially on  the 

( 111) plane, serious lattice distortion occurs on ( 111 ), 

and dislocations appear in both (001) and ( 111 ) planes. 

All  these  results  observed  in GaAs  single  crystal  are 

surprisingly similar to those obtained by HREM for Si 

single crystals. 

 FIG. 31 HREM IMAGE OF A CRACK TIP, AND FAST FOURIER 

TRANSFORMATION (FFT) RESULTS FROM TWO SELECTED 

SQUARES MARKED BY I AND II ARE SHOWN, RESPECTIVELY 

So far, one may still argue that the amorphous regions 

between  the  crack walls observed  ahead of  the  crack 

tip  in  this  study  could  probably  be  introduced  by 

specimen preparation such as grounding or  ion‐beam 

thinning.  In  order  to  rule  out  these  possibilities,  an 

EDX determination of  the chemical composition  in an 

amorphous  band  was  performed  using  a 

field‐emission gun TEM 2000 (FEG TEM‐2000) with an 

electron beam spot 1 nm in diameter. The result shows 

that  in addition to Ga and As, there are no  impurities 

to  be  detected  inside  the  amorphous  band,  and  the 

chemical  composition  of  the  amorphous  band  is 

completely the same as that from a region of the matrix 

far  away  from  the  crack  tip.  This  implies  that  the 

amorphous band between the crack walls ahead of the 

crack  tip  could  not  have  been  introduced  by  either 

impurities  or  contamination  during  specimen 

preparation.  To  confirm  this  point  further,  the 

specimen with an amorphous band ahead of the crack 

was annealed at 500°C for 60 min, as described in Fig. 

24. It was found that the amorphous band disappeared 

and  recrystallized  grains  appeared  along  the  band 

ahead of the crack tip. These recrystallized grains had 

the same lattice structure as the matrix, although their 

size is slightly larger than the width of the amorphous 

bands. This  is probably to be attributed to the growth 

of the grains during annealing. 

FIG. 32 FFT‐SAED AND CORRESPONDING IFFT FRINGES FROM 

DIFFERENT LATTICE PLANES IN SELECTED SQUARE II (a, b, 

AND c) AND SQUARE I (d, e AND f), RESPECTIVELY 

All  the  observations  reported  above  provide  new 

insights into the possible structure at the crack tip and 

the  fracture  mechanism  in  highly  brittle  crystalline 

materials  such  as  GaAs  single  crystal.  Deformation 

along different crystalline planes ahead of the crack tip 

is  anisotropic  and  the  crack  tip  induced  during 

indentation  at  room  temperature  under  stress  is  not 

atomically sharp. Dislocations are produced, leading to 

crystal  lattice  distortion,  and  even  a  transformation 

from  a  crystalline  lattice  to  a  disordered  structure 

ahead  of  the  crack  tips.  The  crack  propagation  is 

proposed  to  be  a  result  of  decohesion  by  the 

amorphous band, rather than the sequential rupture of 

Page 14: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

26  

cohesive bands. 

Conclusions

(1) Rosette dislocations occurred and inhomogenously 

distributed  around  an  indentation  in  the  ambient‐ 

temperature  brittle  materials  such  as  Si  and  GaAs 

single crystals. The short‐rosette arm dislocations with 

the Burgers vector of 1/2[110] belong to β‐type mixture 

dislocations,  and  the  long‐rosette  one  with  Burgers 

vector  of  1/2[1 1 0]  belong  to  the  α‐type  screw 

dislocations.  Twins  and  stacking  faults  are  also  the 

parts of crystal deformation. 

(2)  Transition  from  crystal  lattice  to  nanocrystalline 

and  amorphous  structure  took  place  in  silicon  and 

gallium arsenide single crystals under indentation. The 

shear  stress  rather  than  hydrostatic  pressure  is 

proposed  to  attribute  to  the  transition,  and  there  are 

critical shear stresses for the transitions.   

(3) The atom‐level structure ahead of the crack‐tips has 

been  successfully  captured  by  using  the  HREM 

observations  with  both  plane‐  and  cross  sectional 

views.  The  crack  tips  are  not  atomically  sharp.  The 

dislocations can be emitted  from  the crack  tip during 

indentation,  leading  to  crystal  lattice  distortion  and 

even  to  a  transition  from  a  crystalline  lattice  to 

disordered  structure,  forming  an  amorphous  band 

with a width of 1‐2 nm. The crack propagates along the 

amorphous band, rather than the sequential rupture of 

cohesive bonds. 

(4)  The  analysis  of  fast  Fourier  transformation 

(FFT)‐SAED  and  corresponding  inverse‐fast  Fourier 

transformation (IFFT) fringe images of different lattice 

planes shows that deformation around the crack tip is 

anisotropic. The  lattice fringes along ( 111) plane does not change and the atom arrangement on this plane is 

still  essentially  ordered,  and  serious  lattice distortion 

occurs on the planes of (001) and ( 111 ). 

(5) In‐situ observations by HREM show that there  is a 

critical  electron‐beam  current  density,  instead  of  the 

irradiation‐induced temperature rise, for the crystalline 

nucleation  during  crystallization  process.  Critical 

electron‐  beam  current  density  for  the  crystalline 

nucleation is 50 pA/cm2. The larger the current density 

is, the faster the crystallization rate is. 

REFERENCES

A. Kailer, Y.G. Gogotsi, K.G. Nickel, “Phase transformations 

of silicon caused by contact  loading”,  J. Appl. Phys., vol 

81, pp. 3057‐3063. April, 1997. 

A.  Meldrum,  L.A.  Boatner  and  R.C.  Ewing, 

“Electron‐irradiation‐induced  nucleation  and  growth  in 

amorphous  LaPO4,  ScPO4,  and  zircon”,  J. Mater.  Res., 

vol 12, pp. 1816‐1827. July, 1997. 

A.A.  Griffith,  “The  phenomena  of  rupture  and  flow  in 

solids”, Phil. Trans. R. Soc., Lond. A, vol 221, pp. 163‐198. 

October, 1920. 

A.B. Mann,  D.  Van Heerden,  J.B.  Pethica  and  T.P. Weihs, 

“Size‐dependent  phase  transformations  during  point 

loading of  silicon”,  J. Mater. Res., vol 15, pp. 1754‐1758. 

August, 2000. 

A.L. Ruoff and T. Li, “Phase  transitions  in  III‐V compounds 

to megabar pressures”, Annu. Rev. Mater. Sci., vol 25, pp. 

249‐271. August, 1995. 

B.J.  Hockey  and  B.R.  Lawn,  “Electron  microscopy  of 

microcracking  about  indentations  in  aluminium  oxide 

and silicon carbide”, J. Mater. Sci., vol 10, pp. 1275‐1284. 

August, 1975. 

B.R. Lawn, “Physics of fracture”, J. Am. Ceram. Soc., vol 66, 

pp. 83‐91. February, 1983. 

B.R.  Lawn,  B.J. Hockey  and  S.M. Wiederborn,  “Atomically 

sharp  cracks  in  brittle  solids:  an  electron  microscopy 

study”, J. Mater. Sci., vol 15, pp. 1207‐1223. May, 1980. 

C.  St  John,  “The  brittle‐to‐ductile  transition  in  pre‐cleaved 

silicon  single crystals”, Phil. Mag., vol 32 pp. 1193‐1212. 

December, 1975. 

C.E. Inglis, “Stresses in a plate due to presence of cracks and 

sharp  corners”,  Trans.  Inst. Naval.  Archit.,  vol  55,  pp. 

219‐241. March, 1913. 

D.L.  Davidson  and  J.  Lankford,  “Fatigue  crack  growth  in 

metals and alloys: mechanisms and micro‐ mechanisms”, 

Int. Mater. Rev., vol 37, pp. 45‐76. January, 1992. 

D.R.  Clarke, M.C. Kroll,  P.D. Kirchner,  R.F.  Cook  and  B.J. 

Hockey, “Amorphization and conductivity of silicon and 

germanium induced by indentation”, Phys. Rev. Lett., vol 

60, pp. 2156‐2159. May, 1988. 

E.  Le  Bourhis  and  G.  Patriarche,  “Structure  of 

nanoindentations  in  heavily  n‐  and  p‐doped  (0  0  1) 

GaAs”,  Acta  Materialia,  Vol.  56,  pp.  1417‐1426,  April, 

2008. 

E.R. Weppelmann,  J.S. Field and M.V. Swain, “Influence of 

spherical  indentor  radius  on  the  indentation‐induced 

transformation behaviour of silicon”, J. Mater. Sci., vol 30, 

pp. 2455‐2462. May, 1995. 

Page 15: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014                                                         www.me‐journal.org 

    27

F.  Spaepen  and  D.  Turnbull,  “Laser  annealing  of 

semiconductors”.  New  York:  Academic  Press;  1982.  F. 

Spaepen  and  D.  Turnbull,  in  Laser  Annealing  of 

Semiconductors,  edited  by  J. M.  Poateand  J. W. Mayer 

(Academic, New York, 1982). 

G.  Michot  and  A.  George,  “Dislocation  emission  from 

cracks‐observations  by  x‐ray  topography  in  silicon”, 

Script Matell., vol 20, pp. 1495‐1500. November, 1986. 

G. Patriarche and E. Le Bourhis, “In detph deformartion of 

InP  under  a  Vickers  indentor  “,  J.  Mater.  Sci.‐Mat. 

Electronics, vol 36, pp. 1343‐1347. March, 2001. 

G.I.  Bareblatt,  “The  mathematical  theory  of  equilibrium 

cracks  in  brittle  fracture”, Adv. Appl. Mech.,  vol  7, pp. 

55‐129. 1962. 

H.  Saka  and G. Nagaya,  “Plane‐view  transmission  electron 

microscopy  observation  of  a  crack  tip  in  silicon”,  Phil. 

Mag. Lett., vol 72, pp 251‐255. October, 1995. 

H.  Saka  and  S.  Abe,  “FIB/HVEM  observation  of  the 

configuration of cracks and  the defect structure near  the 

cracks  in  Si”,  J.  Electron Microscopy,  vol  46,  pp.  45‐57. 

January, 1997. 

H.  Tanaka  and  Y.  Bando,  “Atomic  crack  tips  in  silicon 

carbide and silicon crystals”,  J. Am. Ceram. Soc., vol 73, 

pp. 761‐763. March, 1990. 

H. Tanaka, Y. Bando, Y. Inomata and M. Mitimi, “Atomically 

sharp crack in 15R‐sialon”, J. Am. Ceram. Soc., vol 71, pp. 

C32‐33. January, 1988. 

H.R.  Hoche  and  J.  Schreiber,  “Anisotropic  deformation 

behaviour  of GaAs”,  Phys.  status.  Solidi A,  vol  86,  pp. 

229‐236. Novembor, 1984. 

I.  Jenčič  and  I.M.  Robertson,  “Low‐energy  electron  beam 

induced regrowth of isolated amorphous zones in Si and 

Ge”,  J.  Mater.  Res.,  vol  11,  pp.  2152‐2157.  September, 

1996. 

I.  Jenčič,  M.W.  Bench  and  I.M.  Robertson, 

“Electron‐beam‐induced  crystallization  of  isolated 

amorphous  regions  in Si, Ge, GaP,  and GaAs”,  J. Appl. 

Phys., Vol 78, pp. 974‐82, February, 1995. 

I.  Suni,  G.  Goltz,  M.A.  Nicolet  and  S.S.  Lau,  “Effects  of 

electrically  active  impurities  on  the  epitaxial  regrowth 

rate of amorphized  silicon and germanium”, Thin Solid 

Films, vol 93, pp. 171‐178. July, 1982. 

J. Narayan, “Interface structures during solid‐phase‐epitaxial 

growth  in  ion  implanted  semiconductors  and  a 

crystallization  model”,  J.  Appl.  Phys.,  vol  53,  pp. 

8607‐8614. December, 1982. 

J.E.  Bradby,  J.S. Williams,  J. Wong‐Leung,  S.O.  Kucheyev, 

M.V.  Swain  and  P. Munroe,  “Spherical  indentation  of 

compound  semiconductors”,  Phil. Mag.  A,  vol  82,  pp. 

1931‐1939. July, 2002. 

J.E.  Bradby,  J.S. Williams,  J.W.  Leung, M.V.  Swain  and  P. 

Munroe, “Transmission electron microscopy observation 

of  deformation  microstructure  under  spherical 

indentation  in  silicon”,  Appl.  Phys.  Lett.,  vol  77,  pp. 

3749‐3751. December, 2000. 

J.S. Li, Z.C. Li, L. Liu and Y.B. Xu, “Stacking‐fault structure 

induced by  indentation  in GaAs”, Chinese J. Mater. Res. 

Vol 17, pp. 359‐364. August, 2003. (in Chinese) 

J.S. Williams,  Y.  Chen,  J. Wong‐Leung,  A.  Kerr  and M.V. 

Swain,  “Ultra‐micro‐indentation  of  silicon  and 

compound  semiconductors with  spherical  indenters”,  J. 

Mater. Res., vol 14, pp. 2338‐2343. June, 1999. 

K. Wasmer, M. Parlinska‐Woitan, R. Gassilloud, C. Pouvreau, 

J. Tharian, and  J. Micher, “Plastic deformation modes of 

gallium  arsenide  in  nanoindentation  and 

nanoscratching”, Appl.  Phys.  Lett.,  Vol  90,  pp.  031902. 

January, 2007. 

L.  Csepregi,  R.P.  Kullen,  J.W.  Mayer  and  T.W.  Sigmon, 

“Regrowth  kinetics  of  amorphous Ge  layers  created  by 

74Ge  and  28Si  implantation  of Ge  crystals”,  Solid  State 

Commun., vol 21, pp. 1019‐1021. March, 1977. 

M.  Liu,  L.Y.  Xu  and  X.Z.  Lin,  “Heating  effect  of  electron 

beam  bombardment”,  Scanning,  vol  16,  pp.  1‐5. 

January‐February, 1994. 

M.  Sutton,  Y.S.  Yang  and  J. Mainville,  “Observation  of  a 

precursor  during  the  crystallization  of  amorphous 

NiZr2”,  Phys.  Rev.  Lett.,  vol  62,  pp.  288‐291.  January, 

1989. 

P.D.  Warren,  P.  Pirouz  and  S.G.  Roberts,  “Simultaneous 

observation of α‐ and β‐dislocation movement and  their 

effect on  the  fracture behaviour of GaAs”, Phil. Mag. A, 

vol 50, pp. L23‐L28. May, 1984. 

R. Nowak, T. Sekino and K. Niihara, “Surface deformation of 

sapphire crystal”, Phil. Mag. A, vol 74, pp. 171‐194. July, 

1996. 

R.  Thomson,  “Brittle  fracture  in  a  ductile  material  with 

application  to  hydrogen  embrittlement”,  J. Mater.  Sci., 

vol 13, pp. 128‐142. January, 1978. 

Page 16: Deformation Structure Induced by Indentation in GaAs and Si Single Crystals

www.me‐journal.org                                                          Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 1, January 2014 

28  

R.F. Cook and G.M. Pharr, “Direct observation and analysis 

of  indentation cracking  in glasses and ceramics”,  J. Am. 

Ceram. Soc., vol 73, pp. 787‐817. April, 1990. 

R.M. Thomson, C. Hsieh  and V. Rana,  “Lattice  trapping of 

fracture crack”, J. App. Phys., vol 42, pp. 3154‐3160. July, 

1971. 

S.  Johansson  and  J.A.  Schweitz,  “Contact  damage  in 

single‐crystalline  silicon  investigated  by  cross‐sectional 

transmission  electron microscopy”,  J. Am. Ceram.  Soc., 

vol 71, pp.617‐623. August, 1988. 

S. Minomura and H.D. Drickamer, “Pressure  induced phase 

transitions  in  silicon,  germanium  and  some  III‐V 

compounds”,  J. Phys. Chem. Solids, vol 23, pp. 451‐456. 

May, 1962. 

S.B.  Fisher,  “On  the  temperature  rise  in  electron  irradiated 

foils”, Radiat. Eff., vol 5, pp. 239‐243. January, 1970. 

S.M.  Wiederhorn,  “Brittle  fracture  and  toughening 

mechanisms  in  ceramics”, Ann. Rev. Mater. Sci., vol 14, 

pp. 373‐403. August, 1984. 

S.M. Wiederhorn,  B.J. Hockey  and D.E.  Roberts,  “Effect  of 

temperature on the fracture of sapphire”, Phil. Mag., vol 

28, pp. 783‐796. October, 1973. 

S.O.  Kucheyev,  J.E.  Bradby,  C.  Jagadish,  M.  Toth,  M.R. 

Phillips  and M.V.  Swain,  “Nanoindentation  of  epitaxial 

GaN  films”,  Appl.  Phys.  Lett.,  vol  77,  pp.  3373‐3375. 

November, 2000. 

S.S. Chiang, D.B. Marshall and A.G. Evans, “The response of 

solids to elastic/plastic indentation, II. Fracture initiation”, 

J. Appl. Phys., vol 53, pp 312‐317. January, 1982. 

T.  Page,  W.C.  Oliver  and  C.J.  McHargue,  “Deformation 

behavior  of  ceramic  crystals  subjected  to very  low  load 

(nano)indentations”,  J. Mater.  Res.,  vol  7,  pp.  450‐473. 

Feburary, 1992. 

T. Suzuki, T. Yasutomi, T. Tokuoka and I. Yonenaga, “Plastic 

deformation of GaAs at low temperatures”, Phil. mag. A, 

vol 79, pp. 2637‐2654. November, 1999. 

T.F.  Page,  L.  Riester,  S.V.  Hainsworth,  “The  plasticity 

response  of  SiC  and  related  isostructural  materials  to 

nanoindentation: slip vs. densification”, in Fundamentals 

of  Nanoindentation  and  Nanotribology, Mat.  Res.  Soc. 

Symp.  Proc.,  vol  522,  pp.  113‐118.  April  (MRS  Spring 

Meeting), 1998. 

X.S.  Zhao,  Y.R.  Ge,  J.  Schroeder  and  P.D.  Persans, 

“Carrier‐induced  strain  in  Si  and  GaAs  Nanocrystals”, 

Appl. Phys. Lett., vol 65, pp. 2033‐2035. October, 1994. 

Y.B.  Xu,  “Indentation‐induced  plasticity,  damage  and 

fracture  in  Si  and  GaAs  single  crystals”,  J.  Inorganic 

Mater.,  vol  24,  pp.  1081‐1089.  November,  2009.  (in 

Chinese) 

Y.G.  Gogotsi,  V.  Domnich,  S.N.  Dub,  A.  kailer  and  K.G. 

Nickel,  “Cyclic  nanoindentation  and  Raman 

microspectroscopy  study  of  phase  transformations  in 

semiconductors”, J. Mater. Res., vol 15, pp. 871‐879. April, 

2000. 

Y.Q.  Wu  and  Y.B.  Xu,  “Direct  evidence  on  microplastic 

fracture in single‐crystal silicon at ambient temperature”, 

Phil. Mag. Lett., vol 78, pp. 9‐13. July, 1998. 

Y.Q.  Wu  and  Y.B.  Xu,  “Lattice‐distortion‐induced 

amorphization  in  indented  [110]  silicon”,  J. Mater. Res., 

vol 14, pp. 682‐687. March, 1999. 

Y.Q.  Wu,  X.Y.  Yang  and  Y.B.  Xu,  “Cross‐sectional  high 

resolution  electron  microscopy  observation  on  the 

amorphized  indentation  region  in  [001]  single  crystal 

silicon”, Acta Mater., vol 47, pp. 2431‐2436. June, 1999. 

Y.Q. Wu,  Y.B.  Xu  and  X.Y.  Yang,  “An HREM  study  of  a 

lateral microcrack  beneath  indentation  of  [001]  silicon”, 

Acta Metall. Sinica  (English Letters), vol 11, pp. 342‐346. 

October, 1998. 

Z.C.  Li,  H.  Zhang  and  Y.B.  Xu,  “Direct  observation  of 

electron‐beam‐induced  nucleation  and  growth  in 

amorphous GaAs”, Mater. Sci.  in Semicond. Proc., Vol 7 

pp. 19–25, January, 2004. 

Z.C.  Li,  L.  Liu,  L.L.  He  and  Y.B.  Xu,  “Shear‐activated 

indentation crack  in GaAs single crystal”,  J. Mater. Res., 

Vol 16, pp.2845‐2849, October, 2001. 

Z.C.  Li,  L.  Liu,  X. Wu,  L.L. He  and  Y.B.  Xu,  “Indentation 

induced amorphization  in gallium arsenide”, Mater. Sci. 

Eng. A, Vol 337, pp. 21‐24, January, 2002 

Z.C.  Li,  L.  Liu,  X.  Wu,  L.L.  He  and  Y.B.  Xu.,  “TEM 

observation  of  the  phase  transition  in  inverted  GaAs”, 

Mater. Lett., vol 55, pp. 200‐204. July, 2002