Nanoindentation insights into intrinsic fracture toughness anisotropy of SiC single crystals and implications for laser-guided fracture propagation

材料科学 断裂韧性 纳米压痕 各向异性 复合材料 碳化硅 断裂力学 断裂(地质) 韧性 成核 缩进 薄脆饼 偏转(物理) 退火(玻璃) 残余应力 扫描电子显微镜 劈理(地质) 碳化物
作者
Zhiqiang Fan,Jiaxin Zhang,Shengqiang Chen,P. L. Zhang,Yuezhong Feng
出处
期刊:Journal of Physics D [Institute of Physics]
卷期号:59 (15): 155102-155102
标识
DOI:10.1088/1361-6463/ae5984
摘要

Abstract The manufacturability of silicon carbide (SiC) wafers is fundamentally constrained by how cracks nucleate and evolve within a crystallographically anisotropic lattice. In this study, orientation-controlled nanoindentation was used to investigate the fracture toughness anisotropy of single-crystal 4H-SiC along the <1 1 ¯ 00> and <11 2 ¯ 0> directions on both Si- and C-terminated basal surfaces. The measured fracture toughness ranges from 3.15 to 3.64 MPa m½ and exhibits clear dependence on crystallographic orientation and surface polarity. Crack propagation along <1 1 ¯ 00> shows lower resistance and predominantly linear cleavage, whereas the <11 2 ¯ 0> direction promotes crack deflection and branching. The Si-terminated surface consistently shows slightly higher fracture resistance than the C face. These results demonstrate that intrinsic fracture anisotropy governs crack evolution in 4H-SiC and provides a quantitative basis for optimizing scanning direction and energy input in laser slicing processes.
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