(PhysOrg.com) -- Silicium, het belangrijkste halfgeleidermateriaal van allemaal, wordt gewoonlijk als bros en breekbaar beschouwd als vensterglas. Op nanometerschaal is echter, de stof vertoont zeer verschillende eigenschappen, zoals Empa-onderzoekers uit Zwitserland hebben aangetoond door minuscule siliciumpilaren te maken. Als de diameters van de kolommen klein genoeg worden gemaakt, dan breken ze onder belasting niet zomaar af, zoals grote stukken silicium zouden doen, maar ze geven toe aan de druk en ondergaan plastische vervorming, zoals een metaal zou doen. Deze ontdekking maakt de weg vrij voor volledig nieuwe ontwerptechnieken vanuit materiaaloogpunt voor mechanische microsystemen en in de horloge-industrie.

Empa's oprichter zelf, Ludwig van Tetmajer, onderzocht de mechanische belasting van kolommen in zijn tijd. In de nasleep van de ineenstorting van een spoorbrug in Muenchenstein toonden zijn laboratoriumexperimenten aan dat de buigformule van Euler niet altijd geldig is voor dunne staven en correctie nodig had. “We doen in feite hetzelfde 127 jaar later op nanometerschaal, en leren verrassende dingen - in plaats van fragiele silicium nanokolommen die breken wanneer ze worden geladen, we zien hoe ze plastische vervorming ondergaan als boter, ” legt Johann Michler uit, Hoofd van Empa's laboratorium 'Mechanics of Materials and Nanostructures' in Thun.

Silicium - het belangrijkste materiaal in de halfgeleiderindustrie

Silicium is de meest gebruikte grondstof in de halfgeleider- en fotovoltaïsche industrie. Het dient ook als basisbouwmateriaal voor elektronische componenten (zoals computerprocessors) en in veel sensoren en micromechanische systemen, zoals de vrijdragende arm in een scanning force microscoop. In aanvulling, meer dan 90 procent van de conventionele zonnecellen is gemaakt van silicium.

Maar het materiaal heeft zijn grenzen, want silicium is een broos element - een plak silicium (de dunne schijf van silicium en andere additieven die het substraat vormt voor de bovengenoemde toepassingen) valt bij de minste belasting in duizend scherven uiteen, net als een glasplaat. Michler en zijn collega's hebben nu aangetoond dat deze eigenschap verandert op nanometerschaal. Om deze natuurkundige te demonstreren, heeft Fredrik Oestlund een siliciumplaat behandeld met een FIB, een Focused Ion Beam-instrument dat wordt gebruikt voor de analyse en voorbereiding van oppervlakken. Met behulp van een bundel galliumionen verwijderde hij ringvormige materiaalzones van de plaat, laag voor laag, waardoor alleen kleine pilaren van silicium overeind blijven. De diameters van de pilaren varieerden tussen 230 en 940 nanometer.

Laad experimenten met een nano-indenter

"Onze pilaarbuigingstesten zijn in principe hetzelfde als de experimenten van Tetmajer, alleen onze pilaren zijn ongeveer honderdduizend keer kleiner, ", zegt Michler. Om een ​​kracht op de kolommen uit te oefenen, gebruikten de wetenschappers een micro- en nanoprecisie-instrument genaamd een nano-indenter, waar de afgeplatte punt van een piramidevormig diamantgereedschap, gemonteerd in een scanning elektronenmicroscoop, langs de lengteas van een siliciumkolom naar beneden drukt. De kracht die door de punt wordt uitgeoefend, wordt continu gemeten. "Grotere" pilaren ontwikkelden scheuren bij belasting en braken in kleine stukjes, toont het typisch brosse gedrag van silicium.

Echter, wanneer de kolommen een diameter hadden van minder dan 400 nanometer, er ontstonden geen scheuren en de constructies begonnen plastische vervorming te ondergaan. De reden hiervoor ligt in de interne structuur van het silicium - de materiaaleigenschappen worden niet bepaald door de perfecte rangschikking van de atomen, maar door de gebreken in de rangschikking. Als de afmetingen van de kolom kleiner zijn dan de gemiddelde afstand tussen defecten in de atomaire structuur van het materiaal, kunnen de kolommen gemakkelijk worden vervormd. Oestlund en Michler, samen met hun onderzoekspartners van de universiteiten van Uppsala en Minnesota, publiceerde onlangs deze resultaten in Geavanceerde functionele materialen , een gerespecteerd internationaal wetenschappelijk tijdschrift.

Silicium met metaaleigenschappen

"Onze resultaten laten zien dat het mogelijk zou kunnen zijn om silicium als een metaal te gebruiken in mechanische toepassingen, als de afmetingen van de siliciumstructuur klein genoeg zijn, " Michler speculeert. Metalen materialen zijn fouttolerant en kunnen schokbelastingen absorberen door te vervormen zonder te breken, bijvoorbeeld. De constructie van mechanische componenten met behulp van brosse materialen is ook moeilijk, omdat ze de neiging hebben om te falen wanneer de spanning in de buurt van een defect buitensporig wordt. En aangezien de precieze locatie en omvang van kritieke defecten vrijwel altijd onbekend zijn, de kritische belasting is bijna nooit exact te berekenen. Deze berekening is veel eenvoudiger met een metalen materiaal, die eenvoudig zal vervormen onder een goed gedefinieerde belasting. Deze nieuwe "goed opgevoede" eigenschap van plastische vervorming in silicium opent nieuwe kansen voor de horloge-industrie en in de productie van halfgeleiders in termen van het ontwerp van mechanische micro- en nanosystemen.

Meer informatie: Oestlund, F., Rzepiejewska-Malyska, K., Michler, J. et al.:Brosse-naar-ductiele overgang in uniaxiale compressie van siliciumpijlers bij kamertemperatuur, Adv. Functie Materie. 2009, 19, 2439-2444; DOI:10.1002/adfm.200900418

Geleverd door EMPA