随着科技的迅速发展,微机电系统(MEMS)在生物、医学、环境保护、宇航、农业、工业和军事等领域得到了广泛应用。单晶硅具有诸多性能优势,如可掺杂性、制备工艺成熟、机械性能可靠、导热性和抗静电能力较高等,是制备微机电系统的重要材料之一。然而,单晶硅易在外力下发生相变,造成自身性能变化,直接影响微机电系统的稳定性,同时器件服役条件往往涉及压力、摩擦和高温,使得单晶硅的相变行为更加复杂。因此,本文以单晶硅(100)为研究对象,借助仪器化纳米压入仪,系统研究了其在不同压入、划痕和温度条件下的相变行为,进一步探讨了不同厚度TaN膜对硅相变的作用。首先,采取纳米压入的方法,重点研究了加/卸载速率和环境温度(常温、50oC和100oC)对硅相变机制的影响。结果表明卸载速率恒定时(1mN/s),随着加载速率的增加,从0.25mN/s到2.5mN/s,载荷-位移曲线中出现pop-out现象概率增加,即Si-II越易转变为Si-III/Si-XII,主要是因为相同的压入深度及卸载速率下,加载速率越大,Si-I越易转变为Si-II,从而促进pop-out现象的发生;当卸载速率从0.25mN/s增加至2.5mN/s时,pop-out现象概率减少,且与加载速率无关,主要是因为Si-II转变为Si-III/Si-XII是一个成核及长大的过程,卸载速率越低,可以在保持压力作用的同时,为成核的发生提供更多的时间,有利于相变发生;可见卸载速率对于单晶Si(100)纳米压入过程中pop-out现象的出现起重要作用;随着环境温度的增加,pop-out越易发生,主要是温度对于新相的形成及长大具有促进作用,且伴随硬度和有效弹性模量的下降。其次,采用纳米划痕的方法,研究了划痕中硅的相分布,进而系统探究了滑动速度、加载速率、划痕载荷和环境温度的作用。结果表明当载荷恒定时(150mN),滑动速率从2μm/s降低到0.5μm/s,尽管最大划痕深度接近,但低滑动速率下残余划痕深度、宽度及隆起高度都较小,且Si-III和Si-XII比例增加,主要在于划动速率越慢,为新相的成核及长大提供的时间越长,有利于相变发生,说明相变有利于划痕的弹性恢复;当滑动速率恒定时(1μm/s),随着最大载荷从100mN增加到200mN,Si-III和Si-XII比例增加,表明相变程度受到载荷的强烈作用,且此时残余划痕深度、宽度及隆起高度也随之增大;随着温度的升高,滑动过程相变越易发生,但由于硬度和弹性模量的下降,残余划痕深度、宽度及隆起高度增加。最后,以氮化钽/单晶硅(TaN/Si)为对象,结合纳米压入与纳米划痕方法,研究不同薄膜厚度对硅相变的作用。发现TaN膜对单晶硅基体具有明显的保护作用,随着厚度增加,硬度和抗划痕性能提高;TaN膜对压入过程中pop-out现象也表现出阻止作用,随着厚度的增加,其阻止效果更加明显。