作为半导体工业的支柱材料，单晶硅和非晶硅有着极其广泛的应用，这两种材料本身也是共价键单质晶体和非晶的典型代表，具有非常重要的科学研究意义。随着微/纳机电系统的发展，单晶硅和非晶硅在微纳尺度下的力学性能、失效方式及微观结构的演化等受到越来越多的关注，因为它们会显著影响MEMS/NEMS器件的稳定性、功能性和使用寿命。然而到目前为止，微纳尺度单晶硅的一些重要力学行为（如：室温下　脆-韧转变的尺寸效应，力致非晶化相变的微观机理等）的研究结果仍然存在很大争议，关于微纳尺度非晶硅的变形机制和结构演化的定量研究更是鲜有报道。本文利用先进的原位电镜与定量纳米力学测试相结合的技术，对微纳尺度单晶硅和非晶硅的力学行为、变形机制及结构演化进行了系统研究。
块体单晶硅是典型的室温脆性材料，前期研究认为，当单晶硅尺寸小到310　nm　~　400　nm以下时，它会表现出明显的压缩塑性而不再开裂，即发生了室温下的脆-韧转变。本研究发现，这一转变实际上是由微纳尺度样品最常用的加工手段——聚焦离子束（FIB）中Ga+轰击引起的，而非单晶硅的本征行为。该结果纠正了前人的认识，证明了亚微米尺度的单晶硅的失效方式依然是脆性断裂，也启示我们在研究微纳尺度材料（尤其是共价键材料）的力学性能时，FIB加工的影响是不能被忽略的。
巧妙利用FIB加工的特点，作者设计了单晶硅/非晶硅的核/壳结构，由于外层非晶软壳的束缚作用，内部单晶硅能承受较高应力而不会裂开，整体表现出了较好的塑性变形能力。在透射电镜中对该结构进行原位单轴压缩，首次实时记录下了单晶硅在外力作用下非晶化的全过程。之后结合第一性原理计算提出了硅中变形致非晶化的机理：单晶硅可以通过塑性变形积累大量高能、非稳层错直接导致非晶化的发生，这更新了人们长久以来的认知，即非晶硅不一定需要经过高压中间相的转变也能产生。该研究不仅揭示了硅中非晶化相变产生的原因，也为其他脆性材料塑性变形和相变的原位研究提供了新的思路和方法。
　　　　聚焦离子束加工的微纳尺度非晶硅样品的强度和变形方式有着明显的尺寸效应和拉压不对称性。单轴压缩时：随着样品尺寸的减小，非晶硅变形方式逐渐从剪切变形转变为均匀变形，并且样品的屈服强度也随之降低，呈现出“越小越弱”的趋势。当样品尺寸足够小或应变速率足够低时非晶硅中会发生随时间波动的不稳定塑性流变。而在单轴拉伸时，即使样品尺寸小到纳米尺度，非晶硅依然发生突然的脆性断裂，没有任何塑性行为，并且拉伸强度随着样品尺寸的减小而增大，呈现出典型的“越小越强”的尺寸效应。
　　　　分子动力学模拟预测非晶硅中存在有LDA（low-density　amorphous　Si）和HDA（high-density　amorphous　Si）两种不同密度、不同性质的结构。本文利用球差电镜的HAADF　STEM表征和EELS分析证实了这种结构（密度）起伏的确存在于离子轰击过的非晶硅中。通过测量拉伸和压缩变形过程中样品电阻率的变化及对变形后样品的结构分析发现：压缩塑性变形能诱发非晶硅中的LDA（半导体性）向HDA（金属性）转变，而拉伸变形则不能。拉伸时，由于没有新的HDA生成，绝大部分非晶硅始终保持着连续网络结构，断裂强度对应于共价键被破坏时的应力。而在压缩时，新的HDA不断生成，并持续作为塑性变形的载体，屈服强度则对应使金属键（HDA）发生旋转所需要的应力，所以非晶硅在较低的应力下就能发生均匀的塑性流变。非晶硅的连续网络结构对拉应力和压应力作用的不同响应是造成非晶硅强度和变形方式具有拉压不对称性的原因。