Forskare vid ETH och Empa har visat att små föremål kan tillverkas av kisel som är mycket mer deformerbara och starkare än man tidigare trott. På det här sättet, sensorer i smartphones skulle kunna göras mindre och mer robusta.

Sedan uppfinningen av MOSFET-transistorn för sextio år sedan, det kemiska elementet kisel som det bygger på har blivit en integrerad del av det moderna livet. Det inledde datoråldern, och vid det här laget har MOSFET blivit den mest producerade enheten i historien. Kisel är lättillgängligt, billig, och har idealiska elektriska egenskaper, men också en viktig nackdel:den är väldigt skör och, därför, går lätt sönder. Detta kan bli ett problem när man försöker göra mikro-elektromekaniska system (MEMS) av kisel, som accelerationssensorerna i moderna smartphones.

På ETH i Zürich, ett team ledd av Jeff Wheeler, Senior forskare vid Laboratoriet för nanometallurgi, tillsammans med kollegor på Laboratoriet för mekanik av material och nanostrukturer på Empa, har visat att under vissa förutsättningar, kisel kan vara mycket starkare och mer deformerbart än man tidigare trott. Deras resultat har nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Tioårig insats

"Det här är resultatet av en 10-årig insats, säger Wheeler, som arbetade som forskare på Empa inför sin karriär på ETH. För att förstå hur små kiselstrukturer kan deformeras, inom ramen för ett SNF-projekt, han tittade närmare på en mycket använd produktionsmetod:den fokuserade jonstrålen. En sådan stråle av laddade partiklar kan fräsa önskade former till en kiselskiva mycket effektivt, men efterlämnar därvid tydliga spår i form av ytskador och defekter, vilket gör att materialet lättare går sönder.

Wheeler och hans medarbetare hade idén att prova en viss typ av litografi som ett alternativ till jonstrålemetoden. "Först, vi producerar de önskade strukturerna – små pelare i vårt fall – genom att etsa bort omaskerat material från områdena på kiselytan med hjälp av en gasplasma, " förklarar Ming Chen, en tidigare doktorand elev i Wheelers grupp. I ett ytterligare steg, ytan på pelarna, av vilka några är smalare än hundra nanometer, oxideras först och rengörs sedan genom att helt avlägsna oxidskiktet med en stark syra.

Chen studerade sedan styrkan och plastisk deformerbarhet hos kiselpelare av olika bredd med ett elektronmikroskop och jämförde de två tillverkningsmetoderna. För detta ändamål, han tryckte in en liten diamantstans i pelarna och studerade deras deformationsbeteende i elektronmikroskopet.

Slående resultat

Resultaten var slående:Pelarna som hade frästs med en jonstråle kollapsade med en bredd av mindre än en halv mikrometer. Däremot stolparna framställda med litografi fick bara spröda frakturer vid bredder över fyra mikrometer, medan tunnare pelare klarade belastningen mycket bättre. "Dessa litografiska kiselpelare kan deformeras i storlekar tio gånger större än vad vi har sett i jonstrålebearbetat kisel med samma kristallorientering, med dubbel styrka!" säger Wheeler, sammanfattar resultaten av hans experiment.

Styrkan hos de litografiskt framställda pelarna nådde till och med värden som man bara skulle förvänta sig i teorin, för idealiska kristaller. Vad gör skillnaden här, säger Wheeler, är den absoluta renheten hos pelarnas ytor, vilket uppnås genom det slutliga rengöringssteget. Detta resulterar i ett mycket mindre antal ytdefekter från vilka en fraktur kan härröra. Med hjälp av Alla Sologubenko, en forskare vid mikroskopicentret ScopeM vid ETH, denna ytterligare deformerbarhet gjorde det också möjligt för teamet att observera en slående förändring i deformationsmekanismerna vid mindre storlekar. Detta avslöjade nya detaljer om hur kisel kan deformeras.

Applikationer i smartphones

Resultaten som erhållits av ETH-forskare kan ha en omedelbar inverkan på tillverkningen av kisel-MEMS, Wheeler säger:"På detta sätt, gyroskop som används i smartphones, som upptäcker rotationer av enheten, skulle kunna göras ännu mindre och mer robust."

Det borde inte vara så svårt att inse, med tanke på att industrin redan använder kombinationen av etsning och rengöring undersökte Wheeler och hans kollegor. Metoden skulle också kunna tillämpas på andra material som har kristallstrukturer som liknar den hos kisel, tror forskarna. Dessutom, mer elastiskt kisel skulle också kunna användas för att ytterligare förbättra materialets elektriska egenskaper för vissa tillämpningar. Genom att applicera en stor stam av halvledaren kan rörligheten hos dess elektroner ökas, som kan leda, till exempel, till kortare kopplingstider. Än så länge, man var tvungen att producera nanotrådar för att uppnå det, men nu kunde detta göras direkt med hjälp av strukturer integrerade i ett halvledarchip.