(PhysOrg.com) -- Op macroschaal, silicium is een bros materiaal dat niet gemakkelijk in een gewenste vorm kan worden gegoten. Maar wetenschappers hebben ontdekt dat een stuk silicium van slechts 3 nm lang kan worden uitgerekt tot meer dan 20 keer de oorspronkelijke lengte zonder te breken. Als onderzoekers kunnen profiteren van de plasticiteit van silicium op nanoschaal, ze zouden het materiaal mogelijk kunnen vormen tot nanostructuren van verschillende vormen voor technologische toepassingen.

De wetenschappers, Tadashi Ishida van de Universiteit van Tokyo en co-auteurs van andere instellingen in Japan en Frankrijk, hebben hun studie over de plasticiteit van silicium op nanoschaal gepubliceerd in een recent nummer van Nanotechnologie .

Hoewel sommige onderzoekers hebben voorspeld dat macroscopisch brosse materialen zoals silicium en andere covalente materialen (waarvan de atomen bij elkaar worden gehouden door sterke covalente bindingen) plasticiteit zouden vertonen op nanoschaal, het meten van de eigenschappen van materialen op nanoschaal is om technische redenen moeilijk. Enkele van de grootste problemen zijn het vinden van manieren om de uiteinden van het materiaal stevig vast te klemmen en het bewaken van de eigenschappen tijdens het testen.

Om deze moeilijkheden te overwinnen, de wetenschappers gebruikten een nieuwe methode met een micro-elektromechanisch systeem en een transmissie-elektronenmicroscoop, die ze MEMS-in-TEM noemen. Met deze opstelling de onderzoekers konden tegelijkertijd het silicium manipuleren met behulp van het MEMS-apparaat terwijl ze de resultaten in realtime met de microscoop observeerden.

Beginnend met een cilindrisch stuk silicium met een lengte van 3 nm en een diameter van 50 nm, de onderzoekers trokken het silicium met een quasi-statische snelheid, waardoor het langwerpig wordt. Over een periode van 30 minuten, het silicium langwerpig van 3 nm tot 61,6 nm, terwijl de diameter geleidelijk afnam. De onderzoekers voerden het experiment uit op zeven monsters totdat de silicium "nanobruggen" uiteindelijk het breukpunt bereikten.

"Een langzame trekbelasting gaf voldoende tijd om siliciumatomen in de siliciumnanobrug te diffunderen en geleidelijk de amorfe structuur in de brug te vervormen, Ishida vertelde PhysOrg.com . "De superplasticiteit werd veroorzaakt door de combinatie van door spanning veroorzaakte oppervlaktediffusie en intergranulaire amorfe vervorming, inclusief kristallijn silicium nanokorrels.”

Bij spanningsgeïnduceerde oppervlaktediffusie, de eerste van de twee factoren, de siliciumatomen verspreiden zich over het oppervlak om de lengte van de nanobrug te vergroten, die optreedt als gevolg van mechanische spanning en stress. De tweede factor, intergranulaire amorfe vervorming, kan worden omschreven als een "kruip-achtige" stroom van het intergranulaire materiaal in het silicium, en de nanokristallen die zich aanpassen aan deze stroom. De observaties van de wetenschappers suggereren dat, wanneer de diameter van de nanobrug vergelijkbaar wordt met de gemiddelde grootte van de nanokristallen, de nanobrug bereikt zijn kritische vloeipunt en kan niet verder verlengen.

Dit vermogen om silicium op nanoschaal te verlengen, die bij kamertemperatuur wordt gedaan, gevolgen kunnen hebben voor veel op silicium gebaseerde elektronica, omdat het silicium in specifieke vormen kan worden gegoten.

“Met deze techniek je kunt het oppervlak van nanostructuren nauwkeurig aanpassen en hun prestaties verbeteren, ' zei Ishida. “Deze techniek kan worden toegepast op alle mechanische, elektrische en optische apparaten, zoals bedrading en verbindingen op nanoschaal, nanodraadgassensoren, en fotovoltaïsche apparaten, om hun prestaties te verbeteren.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.