(Phys.org) — En ny forskningsplattform använder en laser för att mäta de "nanomekaniska" egenskaperna hos små strukturer som utsätts för stress och uppvärmning, ett tillvägagångssätt som sannolikt kommer att ge insikter för att förbättra designen för mikroelektronik och batterier.

Denna nya teknik, kallad nanomekanisk Raman -spektroskopi, avslöjar information om hur uppvärmning och ytbelastning av mikroskala strukturer påverkar deras mekaniska egenskaper. Forskare har diskuterat fördelarna med ytspänningspåverkan på mekaniska egenskaper i årtionden. Dock, den nanomekaniska Raman-spektroskopin har erbjudit den första sådana mätningen, sa Vikas Tomar, en docent vid Purdues School of Aeronautics and Astronautics.

Ytspänning liknar ytspänningen som gör att små insekter kan gå på vatten, gör vattendroppar sfäriska, och får mänsklig hud att initialt motstå en nåls penetration. I relativt stor skala av vanliga, vardagsmaskiner, ytspänningen är försumbar, men det blir kritiskt för mikro- och nanostrukturer, han sa.

Nya fynd är potentiellt viktiga eftersom kiselstrukturer mätta på mikrometers- och nanometerskalan utgör väsentliga komponenter i halvledarprocessorer, sensorer och en framväxande klass av små maskiner som kallas mikroelektromekaniska system.

"Funktionen av sådana enheter har visat sig vara starkt påverkad av deras driftstemperatur, ", sa Tomar. "Sådana tätt förpackade enheter genererar avsevärd värme under drift. Dock, hittills har vi inte kunnat mäta hur uppvärmning och ytbelastning bidrar till mekaniska egenskaper. "

Information om plattformen och nya forskningsresultat detaljerades i tre artiklar som publicerades i år. Den senaste dök upp 15 augusti i Journal of Applied Physics . Tomar har lett forskningen med tidigare doktoranden Ming Gan, som har tagit examen och nu arbetar inom industrin, och nuvarande doktoranden Yang Zhang.

I Raman-spektroskopi, en laser interagerar med det vibrerande kristallgittret av material, tillhandahålla information om materialens kemiska sammansättning.

"Men vi har inte kunnat införliva stress eller deformation på plats i de kemiska signaturerna, "Nu har vi kombinerat nanomekaniska mätningar till Ramanspektroskopi."

Forskarna använde tekniken för att studera mikroskala kiselkonsoler, små trampbräda formade flisor ca 7 mikron tjocka, eller ungefär en tiondel av tjockleken på ett människohår, och 225 mikron lång. Fribärarna värmdes och belastades samtidigt. Ytspänningar på mikro- och nanoskala mättes för första gången i samband med temperaturförändringar och en strukturs deformation.

Fynden visar att uppvärmning av en fribärande konsol från 25 till 100 grader Celsius samtidigt som strukturen belastas orsakar en dramatisk ökning av töjningshastigheten, eller deformation.

Uppvärmningen minskar bindningskrafterna mellan atomer på strukturernas yta. Den lägre bindningskraften resulterar i ett "avslappnat" tillstånd av ytan eller atomerna nära ytan som fortskrider när temperaturen ökar, vilket leder till sprickor och enhetsfel.

"Nyckeln är att kunna mäta termiska och mekaniska egenskaper samtidigt eftersom de är sammanhängande, och ytspänning påverkar mekaniska egenskaper, sa Tomar.

Fynden är potentiellt viktiga för mätning av komponenter i batterier för att studera spänningar eftersom de ständigt expanderar och drar ihop sig under laddnings-urladdningscykler. Vanliga sensorer klarar inte av påfrestande förhållanden inuti batterier.

Dock, eftersom Raman-spektroskopi använder en laser för att utföra mätningar, det behöver inte vara anslutet till batterierna, möjliggör en ny typ av sensor borttagen från de svåra förhållandena inuti batterierna.

"Om du inte behöver sensorer ombord kan du gå in i extrema miljöer, "sa han." Du kan lära dig hur påfrestningarna utvecklas så att vi kan designa bättre batterier. "

En sådan teknik kan också vara viktig för utveckling av superstarka kompositmaterial som efterliknar de som finns hos vissa marina djur som kan överleva under de extrema förhållanden som finns i hydrotermiska ventiler på havsbotten. Ett hinder är att övervinna spänningar som uppstår vid gränsytan mellan olika skikt i kompositmaterialen.

"Dessa material går alltid sönder vid gränssnitten, " sa Tomar. "Nu kan vi förstå när materialet deformeras hur gränssnittsspänningarna utvecklas, och detta kommer att tillåta oss att förutsäga hur vi ska ändra dem."