En kiselpelare med en diameter på 310 nanometer a) före laddning och b) efter deformation. Kolonnen har gett efter för den applicerade kraften och genomgått plastisk deformation.
(PhysOrg.com) -- Silicon, det viktigaste halvledarmaterialet av alla, anses vanligtvis vara lika spröd och brytbar som fönsterglas. På nanometerskalan, dock, ämnet uppvisar mycket olika egenskaper, som Empa-forskare från Schweiz har visat genom att skapa små kiselpelare. Om diametrarna på kolonnerna görs tillräckligt små, då under belastning går de inte bara av, som stora bitar av kisel skulle göra, men de ger efter för trycket och genomgår plastisk deformation, som en metall skulle göra. Denna upptäckt öppnar vägen för helt nya designtekniker ur materialsynpunkt för mekaniska mikrosystem och i klockindustrin.
Empas grundare själv, Ludwig von Tetmajer, undersökte den mekaniska belastningen av kolonner på sin tid. I efterdyningarna av kollapsen av en järnvägsbro i Muenchenstein visade hans laboratorieexperiment att Eulers böjningsformel inte alltid är giltig för tunna stavar och behövde korrigeras. "Vi gör i princip samma sak 127 år senare på nanometerskalan, och lär sig överraskande saker - istället för ömtåliga nanokolumner i kisel som går sönder när de laddas, vi ser hur de genomgår plastisk deformation som smör, " förklarar Johann Michler, Chef för Empas laboratorium "Mechanics of Materials and Nanostructures" i Thun.
Kisel - det viktigaste materialet i halvledarindustrin
Kisel är den vanligaste råvaran inom halvledar- och solcellsindustrin. Det fungerar också som det grundläggande byggmaterialet för elektroniska komponenter (som datorprocessorer) och i många sensorer och mikromekaniska system, såsom den fribärande armen i ett scanningskraftmikroskop. Dessutom, mer än 90 procent av konventionella solceller är gjorda av kisel.
Men materialet har sina gränser, för kisel är ett sprött element - en skiva av kisel (den tunna skivan av kisel och andra tillsatser som utgör substratet för de ovan nämnda applikationerna) splittras i tusen skärvor under minsta belastning, precis som en glasskiva. Michler och hans kollegor har nu visat att denna egenskap förändras på nanometerskalan. För att demonstrera detta behandlade fysikern Fredrik Oestlund en kiselplatta med en FIB, ett Focused Ion Beam-instrument som används för analys och preparering av ytor. Med hjälp av en stråle av galliumjoner tog han bort ringformade materialzoner från plattan, lager på lager, lämnar bara små pelare av kisel kvar. Diametrarna på pelarna varierade mellan 230 och 940 nanometer.
Ladda experiment med en nanoindenter
"Våra pelarböjningstester är i princip desamma som Tetmajers experiment, bara våra pelare är ungefär hundra tusen gånger mindre, " säger Michler. För att applicera en kraft på kolumnerna använde forskarna ett mikro- och nanoprecisionsverktyg som kallas nanoindenter, där den tillplattade spetsen på ett pyramidformat diamantverktyg, monterad i ett svepelektronmikroskop, pressar ner längs en kiselpelares längdaxel. Kraften som utövas av spetsen mäts kontinuerligt. "Större" pelare utvecklade sprickor när de laddades och gick sönder i små bitar, visar det typiskt spröda beteendet hos kisel.
Dock, när kolonnerna hade en diameter på mindre än 400 nanometer, inga sprickor utvecklades och strukturerna började drabbas av plastisk deformation. Anledningen till detta ligger i kislets inre struktur - dess materialegenskaper bestäms inte av det perfekta arrangemanget av atomerna utan av bristerna i arrangemanget. Om kolonnens dimensioner är mindre än det genomsnittliga avståndet mellan defekter i materialets atomära struktur kan kolonnerna lätt deformeras. Östlund och Michler, tillsammans med sina forskningspartners från universiteten i Uppsala och Minnesota, publicerade nyligen dessa resultat i Avancerade funktionella material , en respekterad internationell vetenskaplig tidskrift.
En kiselpelare med en diameter på 940 nanometer 940 efter kompressionstestet. Pelare med en diameter på över 400 nanometer utvecklar sprickor vid belastning.
Kisel med metalliska egenskaper
"Våra resultat visar att det kan vara möjligt att använda kisel som en metall i mekaniska tillämpningar, om dimensionerna på kiselstrukturen är tillräckligt små, " Michler spekulerar. Metalliska material är feltoleranta och kan absorbera stötbelastningar genom att deformeras utan att gå sönder, till exempel. Konstruktionen av mekaniska komponenter med spröda material är också svårt, eftersom de tenderar att misslyckas när belastningen nära en defekt blir överdriven. Och eftersom den exakta platsen och storleken på kritiska defekter praktiskt taget alltid är okända, den kritiska belastningen kan nästan aldrig beräknas exakt. Denna beräkning är mycket enklare med ett metalliskt material, som helt enkelt kommer att deformeras under en väldefinierad belastning. Denna nya "väluppfostrade" egenskap hos plastisk deformation i kisel öppnar nya möjligheter för klockindustrin och inom halvledartillverkning när det gäller design av mekaniska mikro- och nanosystem.
Mer information: Östlund, F., Rzepiejewska-Malyska, K., Michler, J. et al.:Spröd-till-duktil övergång i uniaxiell kompression av kiselpelare vid rumstemperatur, Adv. Funktion. Materia. 2009, 19, 2439-2444; DOI:10.1002/adfm.200900418
Tillhandahålls av EMPA
