Silicium skørt? Ikke denne slags!

(PhysOrg.com) -- Silicon, det vigtigste halvledermateriale af alle, anses normalt for at være lige så skørt og knækkeligt som vinduesglas. På nanometerskalaen, imidlertid, stoffet udviser meget forskellige egenskaber, som Empa-forskere fra Schweiz har vist ved at skabe små siliciumsøjler. Hvis søjlernes diametre er lavet små nok, så brækker de under belastning ikke bare af, som store stykker silicium ville, men de giver efter for trykket og undergår plastisk deformation, som et metal ville. Denne opdagelse åbner vejen for helt nye designteknikker set fra et materialesynspunkt til mekaniske mikrosystemer og i urindustrien.

Empas grundlægger selv, Ludwig von Tetmajer, undersøgte den mekaniske belastning af søjler i sin tid. I kølvandet på sammenbruddet af en jernbanebro i Muenchenstein viste hans laboratorieeksperimenter, at Eulers bøjningsformel ikke altid er gyldig for tynde stænger og havde brug for korrektion. "Vi gør stort set det samme 127 år senere på nanometerskalaen, og lærer overraskende ting - i stedet for skrøbelige siliciumnanokolonner, der går i stykker, når de indlæses, vi ser, hvordan de gennemgår plastisk deformation som smør, " forklarer Johann Michler, Leder af Empas 'Mechanics of Materials and Nanostructures'-laboratorium i Thun.

Silicium - det vigtigste materiale i halvlederindustrien

Silicium er det mest almindeligt anvendte råmateriale i halvleder- og solcelleindustrien. Det fungerer også som det grundlæggende byggemateriale til elektroniske komponenter (som computerprocessorer) og i mange sensorer og mikromekaniske systemer, såsom cantilever-armen i et scanningskraftmikroskop. Ud over, mere end 90 procent af de konventionelle solceller er lavet af silicium.

Men materialet har sine grænser, for silicium er et sprødt element - en skive af silicium (den tynde skive af silicium og andre tilsætningsstoffer, som danner substratet til de ovennævnte applikationer) splintres i tusinde skår under den mindste belastning, ligesom en glasplade. Michler og hans kolleger har nu vist, at denne egenskab ændrer sig på nanometerskalaen. For at demonstrere dette behandlede fysiker Fredrik Oestlund en siliciumplade ved hjælp af en FIB, et Focused Ion Beam instrument, som bruges til analyse og klargøring af overflader. Ved hjælp af en stråle af galliumioner fjernede han ringformede zoner af materiale fra pladen, lag for lag, efterlader kun bittesmå søjler af silicium stående. Diametrene på søjlerne varierede mellem 230 og 940 nanometer.

Indlæs eksperimenter med en nanoindenter

"Vores søjlebøjningstest er i princippet de samme som Tetmajers eksperimenter, kun vores søjler er omkring hundrede tusinde gange mindre, " siger Michler. For at anvende en kraft på søjlerne brugte forskerne et mikro- og nanopræcisionsværktøj kaldet en nanoindenter, hvor den fladtrykte spids af et pyramideformet diamantværktøj, monteret i et scanning elektronmikroskop, presser ned langs længdeaksen af ​​en siliciumsøjle. Kraften, som spidsen udøver, måles kontinuerligt. "Større" søjler udviklede revner, når de blev læsset og brækkede i små stykker, viser den typiske sprøde opførsel af silicium.

Imidlertid, når søjlerne havde en diameter på mindre end 400 nanometer, ingen revner udviklede sig, og strukturerne begyndte at lide plastisk deformation. Årsagen til dette ligger i siliciumets indre struktur - dets materialeegenskaber bestemmes ikke af det perfekte arrangement af atomerne, men af ​​fejlene i arrangementet. Hvis søjlens dimensioner er mindre end den gennemsnitlige afstand mellem defekter i materialets atomare struktur, kan søjlerne let blive deformeret. Østlund og Michler, sammen med deres forskningspartnere fra universiteterne i Uppsala og Minnesota, for nylig offentliggjort disse resultater i Avancerede funktionelle materialer , et respekteret internationalt videnskabeligt tidsskrift.

Silicium med metalliske egenskaber

"Vores resultater viser, at det måske er muligt at bruge silicium som et metal i mekaniske applikationer, hvis dimensionerne af siliciumstrukturen er små nok, " Michler spekulerer. Metalliske materialer er fejltolerante og er i stand til at absorbere stødbelastninger ved at deformere uden at gå i stykker, for eksempel. Konstruktionen af ​​mekaniske komponenter ved hjælp af sprøde materialer er også vanskelig, da de har en tendens til at fejle, når belastningen nær en defekt bliver overdreven. Og da den præcise placering og størrelse af kritiske defekter praktisk talt altid er ukendte, den kritiske belastning kan næsten aldrig beregnes nøjagtigt. Denne beregning er meget enklere med et metallisk materiale, som simpelthen vil deformeres under en veldefineret belastning. Denne nye "velopdragne" egenskab af plastisk deformation i silicium åbner nye muligheder for urindustrien og i halvlederfremstilling med hensyn til design af mekaniske mikro- og nanosystemer.

Mere information: Østlund, F., Rzepiejewska-Malyska, K., Michler, J. et al.:Skør-til-duktil overgang i uniakset kompression af siliciumsøjler ved stuetemperatur, Adv. Funktion. Stof. 2009, 19, 2439-2444; DOI:10.1002/adfm.200900418

Leveret af EMPA