Halvledarmaterial spelar en oumbärlig roll i vårt moderna informationsorienterade samhälle. För pålitlig prestanda för halvledarenheter, dessa material måste ha överlägsna mekaniska egenskaper:de måste vara starka och motståndskraftiga mot brott, trots att den är rik på strukturer i nanoskala.

Nyligen, det har blivit allt tydligare att den optiska miljön påverkar den strukturella styrkan hos halvledarmaterial. Effekten kan bli mycket mer betydande än förväntat, speciellt i ljuskänsliga halvledare, och särskilt eftersom många halvledare på grund av tekniska begränsningar eller tillverkningskostnader endast kan masstillverkas i mycket små och tunna storlekar. Dessutom, laboratorieprovning av deras styrka har i allmänhet utförts på stora prover. I ljuset av den senaste explosionen i nya tillämpningar i nanoskala, allt detta tyder på att det finns ett akut behov av att styrkan hos halvledarmaterial ska omvärderas under kontrollerade belysningsförhållanden och tunna provstorlekar.

För detta ändamål, Professor Atsutomo Nakamuras grupp vid Nagoya University, Japan, och Dr. Xufei Fangs grupp vid Darmstadts tekniska universitet har utvecklat en teknik för att kvantitativt studera ljusets effekt på de mekaniska egenskaperna i nanoskala hos tunna skivor av halvledare eller något annat kristallint material. De kallar det en metod för fotoindragning. Väsentligen, en liten, en spetsig sond drar in materialet medan det är upplyst av ljus under kontrollerade förhållanden, och djupet och hastigheten med vilken sonden drar in ytan kan mätas. Sonden skapar dislokationer - glidningar av kristallplan - nära ytan, och med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop observerar forskarna effekten av ljus vid ett antal våglängder på dislokationskärnbildning (födelsen av nya dislokationer) och dislokationsrörlighet (dislokationernas glidning eller glidning bort från den punkt där de skapades). Kärnbildningen och rörligheten mäts separat för första gången och är en av nyheterna med fotointryckningstekniken.

Forskarna har upptäckt att medan ljus har en marginell effekt på genereringen av dislokationer under mekanisk belastning, det har en mycket starkare effekt på rörelsen av dislokationer. När en luxation inträffar, det är energetiskt gynnsamt för det att expandera och förena sig (kärna) med andra, och ofullkomligheten blir större. Belysning av ljus påverkar inte detta:elektronerna och hålen som exciteras i halvledaren av ljuset (de fotoexciterade bärarna) påverkar inte dislokationens töjningsenergi, och det är denna energi som bestämmer "linjespänningen" för dislokationen som styr kärnbildningsprocessen.

Å andra sidan, dislokationer kan också röra sig i en så kallad "glidrörelse", under vilken fotoexciterade bärare dras av dislokationer via elektrostatisk interaktion. Effekten av fotoexciterade bärare på denna dislokationsrörelse är mycket mer uttalad:om tillräckligt många bärare produceras, materialet blir mycket starkare.

Denna effekt demonstreras slående när samma experiment utförs i totalt mörker och sedan under belysning med ljus med en våglängd som matchar halvledarbandsgapet (vilket ger ett ökat antal fotoexciterade bärare). När indraget, något fast material genomgår initialt "plastisk deformation" - ändrar form utan att fjädra tillbaka, lite som spackel - tills belastningen blir för stor, som det spricker på. Forskargruppen vid Nagoya University visade att den oorganiska halvledaren zinksulfid (ZnS) i totalt mörker beter sig lite som kitt, deformeras med enorma 45 % under skjuvpåkänning utan att spricka eller falla isär. Dock, när den är upplyst med rätt våglängd, det blir ganska jobbigt. På andra våglängder blir det inte riktigt lika hårt.

De nya rönen visar att ren plastisk deformation utan sprickbildning i halvledarmaterial sker i nanoskala. När det gäller mekaniskt beteende, dessa halvledare liknar därför metalliska material. Denna nyinrättade, robust experimentell protokoll gör det möjligt att utvärdera effekten av ljus på styrkan hos även icke-halvledande material som är mycket tunna. Professor Nakamura noterar:"En särskilt viktig aspekt är att icke-halvledare kan uppvisa halvledande egenskaper nära ytan, på grund av oxidation, till exempel, och eftersom utgångspunkten för deformation eller brott ofta är ytan, det är av stor betydelse att etablera en metod för att noggrant mäta materialstyrkan under kontrollerade belysningsförhållanden på själva ytan, på nanoskala."

Den härdande effekt som elektron-hålspar som frigörs av ljusbelysning har på materialstyrkan - genom att undertrycka utbredningen av dislokationer, särskilt nära ytan – är en del av ett paradigmskifte inom vetenskapen om materialstyrka. Konventionellt, när man överväger styrkan hos ett material, atomarrangemanget var den minsta enheten. Med andra ord, det fanns en utgångspunkt att materialets styrka kunde förstås utifrån atomarrangemanget och elasticitetsteorin. Dock, Nyligen genomförda studier har rapporterat att hållfasthetsegenskaperna hos material förändras avsevärt på grund av yttre påverkan som ljus och ett elektriskt fält. Därför, Professor Nakamura konstaterar, "det blir mer och mer accepterat att andra synpunkter måste läggas till teorin om materialstyrka som inkluderar rörelsen hos elektroner och hål som är mindre än atomer."

"Denna studie bekräftar kvantnivåeffekten på styrkan hos sådana material. I detta avseende, det kan sägas att denna forskning har uppnått en milstolpe i det paradigmskifte inom området materialstyrka som för närvarande sker."

Dr. Xufei Fang tillägger:"Nu när skapandet av enheter på den sanna nanoskalan blir verklighet, ljusets inverkan på den strukturella styrkan hos olika oorganiska halvledare är en fråga att överväga."