Skørt silicium viser enestående plasticitet på nanoskalaen

(PhysOrg.com) -- På makroskalaen, silicium er et sprødt materiale, der ikke let kan støbes til en ønsket form. Men forskere har fundet ud af, at et stykke silicium kun 3 nm langt kan strækkes til mere end 20 gange sin oprindelige længde uden at gå i stykker. Hvis forskere kan drage fordel af plasticiteten af ​​silicium i nanoskala, de kunne potentielt støbe materialet til nanostrukturer af forskellige former til teknologiske anvendelser.

Forskerne, Tadashi Ishida fra University of Tokyo og medforfattere fra andre institutioner i Japan og Frankrig, har offentliggjort deres undersøgelse af siliciums plasticitet på nanoskala i et nyligt nummer af Nanoteknologi .

Selvom nogle forskere har forudsagt, at makroskopisk sprøde materialer som silicium og andre kovalente materialer (hvis atomer holdes sammen af ​​stærke kovalente bindinger) skulle vise plasticitet på nanoskala, at måle egenskaberne af materialer i nanostørrelse er vanskeligt af tekniske årsager. Nogle af de største vanskeligheder inkluderer at finde måder til sikkert at fastspænde materialets ender og overvåge egenskaberne under test.

For at overvinde disse vanskeligheder, forskerne brugte en ny metode, der involverede et mikroelektromekanisk system og et transmissionselektronmikroskop, som de kalder MEMS-in-TEM. Med denne opsætning, forskerne kunne samtidig manipulere silicium ved hjælp af MEMS-enheden, mens de observerede resultaterne i realtid med mikroskopet.

Startende med et cylindrisk stykke silicium med en længde på 3 nm og en diameter på 50 nm, forskerne trak silicium med en kvasistatisk hastighed, får den til at forlænges. Over en periode på 30 minutter, silicium forlænget fra 3 nm til 61,6 nm, mens diameteren gradvist aftog. Forskerne udførte eksperimentet på syv prøver, indtil silicium-"nanobroerne" endelig nåede brudpunktet.

"En langsom trækbelastning gav tilstrækkelig tid til at diffundere siliciumatomer ind i siliciumnanobroen og gradvist deformere den amorfe struktur i broen, ” fortalte Ishida PhysOrg.com . "Superplasticiteten blev induceret af kombinationen af ​​stress-induceret overfladediffusion og intergranulær amorf deformation, inklusive krystallinske siliciumnanokorn."

Ved stress-induceret overfladediffusion, den første af de to faktorer, siliciumatomerne spredes over overfladen for at øge længden af ​​nanobroen, som opstår på grund af mekanisk spænding og stress. Den anden faktor, intergranulær amorf deformation, kan beskrives som en "krybelignende" strømning af det intergranulære materiale i siliciumet, og nanokrystallerne tilpasser sig denne strømning. Forskernes observationer tyder på, at når diameteren af ​​nanobroen bliver sammenlignelig med den gennemsnitlige størrelse af nanokrystallerne, nanobroen når sit kritiske vigepunkt og kan ikke forlænges længere.

Denne evne til at forlænge nanoskala silicium, som gøres ved stuetemperatur, kunne have konsekvenser for mange siliciumbaserede elektronik, da silicium kunne støbes til bestemte former.

"Med denne teknik, du kan præcist modificere overfladen af ​​nanostrukturer og forbedre deres ydeevne, " sagde Ishida. "Denne teknik kan anvendes på alle mekaniske, elektriske og optiske enheder, såsom ledninger og samlinger i nanoskala, nanotråd gassensorer, og solcelleanlæg, for at forbedre deres præstationer."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.