Lys i samspil med kraft afslører, hvordan materialer bliver hårdere, når de belyses

Halvledermaterialer spiller en uundværlig rolle i vores moderne informationsorienterede samfund. For pålidelig ydeevne af halvlederenheder, disse materialer skal have overlegne mekaniske egenskaber:de skal være stærke såvel som modstandsdygtige over for brud, på trods af at den er rig på strukturer i nanoskala.

For nylig, det er blevet mere og mere klart, at det optiske miljø påvirker den strukturelle styrke af halvledermaterialer. Effekten kan være meget større end forventet, især i lysfølsomme halvledere, og især da mange halvledere på grund af teknologiske begrænsninger eller fremstillingsomkostninger kun kan masseproduceres i meget små og tynde størrelser. I øvrigt, laboratorietestning af deres styrke er generelt blevet udført på store prøver. I lyset af den nylige eksplosion i nye applikationer i nanoskala, alt dette tyder på, at der er et presserende behov for, at styrken af ​​halvledermaterialer skal revurderes under kontrollerede belysningsforhold og tynde prøvestørrelser.

Til denne ende, Professor Atsutomo Nakamuras gruppe ved Nagoya Universitet, Japan, og Dr. Xufei Fangs gruppe ved det tekniske universitet i Darmstadt har udviklet en teknik til kvantitativt at studere lysets effekt på nanoskala mekaniske egenskaber af tynde wafers af halvledere eller ethvert andet krystallinsk materiale. De kalder det en 'fotoindentationsmetode'. I det væsentlige, en lille, en spids sonde indrykker materialet, mens det er oplyst af lys under kontrollerede forhold, og dybden og hastigheden, hvormed sonden indrykker overfladen, kan måles. Sonden skaber dislokationer - glidninger af krystalplaner - nær overfladen, og ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop observerer forskerne effekten af ​​lys ved en række bølgelængder på dislokationskernedannelse (fødslen af ​​nye dislokationer) og dislokationsmobilitet (dislokationernes glidning eller glidning væk fra det punkt, hvor de blev skabt). Kernedannelsen og mobiliteten måles separat for første gang og er en af ​​nyhederne ved fotoindentationsteknikken.

Forskerne har opdaget, at mens lys har en marginal effekt på genereringen af ​​dislokationer under mekanisk belastning, det har en meget stærkere effekt på bevægelsen af ​​dislokationer. Når der opstår en dislokation, det er energetisk gunstigt for det at udvide sig og slutte sig til (kernedannelse) med andre, og ufuldkommenheden bliver større. Belysning af lys påvirker ikke dette:elektronerne og hullerne exciteret i halvlederen af ​​lyset (de foto-exciterede bærere) påvirker ikke dislokationens belastningsenergi, og det er denne energi, der bestemmer "linjespændingen" af dislokationen, der styrer nukleationsprocessen.

På den anden side, dislokationer kan også bevæge sig i en såkaldt 'glidebevægelse', hvor foto-exciterede bærere trækkes af dislokationer via elektrostatisk interaktion. Effekten af ​​foto-exciterede bærere på denne dislokationsbevægelse er meget mere udtalt:hvis der produceres nok bærere, materialet bliver meget stærkere.

Denne effekt demonstreres påfaldende, når det samme eksperiment udføres i fuldstændig mørke og derefter under belysning med lys med en bølgelængde, der matcher halvlederbåndgabet (hvilket producerer et øget antal foto-exciterede bærere). Når indrykket, ethvert fast materiale gennemgår i begyndelsen "plastisk deformation" - skifter form uden at springe tilbage, lidt som spartelmasse - indtil belastningen bliver for stor, hvorpå den revner. Forskergruppen ved Nagoya University viste, at den uorganiske halvleder zinksulfid (ZnS) i totalt mørke opfører sig lidt som kit, deformeres med enorme 45 % under forskydningsbelastning uden at revne eller falde fra hinanden. Imidlertid, når den er belyst ved den korrekte bølgelængde, det bliver ret hårdt. Ved andre bølgelængder bliver det ikke helt så hårdt.

De nye resultater viser, at ren plastisk deformation uden revnedannelse i halvledermaterialer forekommer på nanoskala. Med hensyn til mekanisk adfærd, disse halvledere ligner derfor metalliske materialer. Denne nyetablerede, robust eksperimentel protokol gør det muligt at evaluere effekten af ​​lys på styrken af ​​selv ikke-halvledende materialer, der er meget tynde. Professor Nakamura bemærker:"Et særligt vigtigt aspekt er, at ikke-halvledere kan udvise halvledende egenskaber nær overfladen, på grund af oxidation, for eksempel, og da udgangspunktet for deformation eller brud ofte er overfladen, det er af stor betydning at etablere en metode til nøjagtig måling af materialers styrke under kontrollerede belysningsforhold på selve overfladen, på nanoskala."

Den hærdende effekt, som elektron-hul-par frigjort af lysbelysning har på materialets styrke - ved at undertrykke udbredelsen af ​​dislokationer, især nær overfladen - er en del af et paradigmeskifte i videnskaben om materialestyrke. Konventionelt, når man overvejer styrken af ​​et materiale, atomarrangementet var den mindste enhed. Med andre ord, der var en forudsætning om, at materialets styrke kunne forstås ud fra atomarrangementet og elasticitetsteorien. Imidlertid, nyere undersøgelser har rapporteret, at materialers styrkeegenskaber ændrer sig betydeligt på grund af ydre påvirkninger såsom lys og et elektrisk felt. Derfor, Professor Nakamura bemærker, "det bliver mere og mere accepteret, at andre synspunkter skal tilføjes til teorien om materialestyrke, som omfatter bevægelsen af ​​elektroner og huller, der er mindre end atomer."

"Denne undersøgelse bekræfter kvanteniveaueffekten på styrken af ​​sådanne materialer. I denne henseende, det kan siges, at denne forskning har opnået en milepæl i det paradigmeskifte inden for materialestyrke, der i øjeblikket finder sted."

Dr. Xufei Fang tilføjer:"Nu hvor skabelsen af ​​enheder på den ægte nanoskala er ved at blive en realitet, lysets indvirkning på den strukturelle styrke af forskellige uorganiske halvledere er et spørgsmål, der skal overvejes."