Overraskende stærk og deformerbar silicium

Forskere ved ETH og Empa har vist, at små genstande kan laves af silicium, der er meget mere deformerbare og stærkere end hidtil antaget. På denne måde sensorer i smartphones kunne gøres mindre og mere robuste.

Siden opfindelsen af ​​MOSFET-transistoren for tres år siden, det kemiske grundstof silicium, som det er baseret på, er blevet en integreret del af det moderne liv. Det indledte computeralderen, og nu er MOSFET blevet den mest producerede enhed i historien. Silicium er let tilgængelig, billig, og har ideelle elektriske egenskaber, men også en vigtig ulempe:den er meget skør og, derfor, går let i stykker. Dette kan blive et problem, når man forsøger at lave mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) af silicium, såsom accelerationssensorerne i moderne smartphones.

På ETH i Zürich, et hold ledet af Jeff Wheeler, Seniorforsker ved Laboratoriet for Nanometallurgi, sammen med kolleger på Laboratoriet for Mekanik af Materialer og Nanostrukturer på Empa, har vist, at under visse betingelser, silicium kan være meget stærkere og mere deformerbart, end man tidligere har troet. Deres resultater er for nylig blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Ti års indsats

"Dette er resultatet af en 10-årig indsats, " siger Wheeler, der arbejdede som forsker hos Empa forud for sin karriere på ETH. For at forstå, hvordan små siliciumstrukturer kan deformeres, inden for rammerne af et SNF-projekt, han kiggede nærmere på en meget brugt produktionsmetode:den fokuserede ionstråle. En sådan stråle af ladede partikler kan male ønskede former til en siliciumwafer meget effektivt, men derved efterlader sig tydelige spor i form af overfladeskader og defekter, som får materialet til at knække lettere.

Wheeler og hans samarbejdspartnere havde den idé at prøve en bestemt type litografi som et alternativ til ionstrålemetoden. "Først, vi producerer de ønskede strukturer - små søjler i vores tilfælde - ved at ætse umaskeret materiale væk fra områderne af siliciumoverfladen ved hjælp af et gasplasma, " forklarer Ming Chen, en tidligere ph.d. elev i Wheelers gruppe. I et yderligere skridt, overfladen af ​​søjlerne, hvoraf nogle er smallere end hundrede nanometer, oxideres først og renses derefter ved helt at fjerne oxidlaget med en stærk syre.

Chen studerede derefter styrken og plastisk deformerbarhed af siliciumsøjler af forskellig bredde med et elektronmikroskop og sammenlignede de to produktionsmetoder. Til det formål, han trykkede et lille diamantstempel ind i søjlerne og studerede deres deformationsadfærd i elektronmikroskopet.

Slående resultater

Resultaterne var slående:Søjlerne, der var blevet fræset med en ionstråle, kollapsede i en bredde på mindre end en halv mikrometer. Derimod, søjlerne fremstillet ved litografi fik kun sprøde brud ved bredder over fire mikrometer, mens tyndere søjler var i stand til at modstå belastningen meget bedre. "Disse litografiske siliciumsøjler kan deformeres i størrelser ti gange større end hvad vi har set i ionstrålebearbejdet silicium med samme krystalorientering, med dobbelt styrke!" siger Wheeler, opsummerer resultaterne af hans eksperimenter.

Styrken af ​​de litografisk fremstillede søjler nåede endda værdier, som man kun ville forvente i teorien, til ideelle krystaller. Hvad gør forskellen her, siger Wheeler, er den absolutte renhed af søjlernes overflader, hvilket opnås ved det endelige rengøringstrin. Dette resulterer i et meget mindre antal overfladedefekter, hvorfra et brud kan stamme. Med hjælp fra Alla Sologubenko, en forsker ved mikroskopicentret ScopeM ved ETH, denne yderligere deformerbarhed gjorde det også muligt for holdet at observere en slående ændring i deformationsmekanismerne ved mindre størrelser. Dette afslørede nye detaljer om, hvordan silicium kan deformeres.

Applikationer i smartphones

Resultaterne opnået af ETH-forskere kan have en øjeblikkelig indflydelse på fremstillingen af ​​silicium MEMS, Wheeler siger:"På denne måde, de gyroskoper, der bruges i smartphones, som registrerer rotationer af enheden, kunne gøres endnu mindre og mere robust."

Det burde ikke være for svært at indse, i betragtning af, at industrien allerede bruger kombinationen af ​​ætsning og rengøring, undersøgte Wheeler og hans kolleger. Metoden kan også anvendes på andre materialer med krystalstrukturer svarende til siliciums, mener forskerne. I øvrigt, mere elastisk silicium kan også bruges til yderligere at forbedre materialets elektriske egenskaber til visse anvendelser. Ved at påføre en stor belastning af halvlederen kan mobiliteten af ​​dens elektroner øges, som kan føre, for eksempel, til kortere skiftetider. Indtil nu, man skulle producere nanotråde for at opnå det, men nu kunne dette gøres direkte ved hjælp af strukturer integreret i en halvlederchip.