(Phys.org) -Een nieuw onderzoeksplatform gebruikt een laser om de "nanomechanische" eigenschappen te meten van kleine structuren die stress en verwarming ondergaan, een benadering die waarschijnlijk inzichten zal opleveren om ontwerpen voor micro-elektronica en batterijen te verbeteren.

Deze nieuwe techniek, genaamd nanomechanische Raman-spectroscopie, onthult informatie over hoe verwarming en de oppervlaktespanning van microschaalstructuren hun mechanische eigenschappen beïnvloeden. Onderzoekers hebben decennialang de voordelen van oppervlaktespanning op mechanische eigenschappen besproken. Echter, de nanomechanische Raman-spectroscopie heeft de eerste dergelijke meting aangeboden, zei Vikas Tomar, een universitair hoofddocent in Purdue's School of Aeronautics and Astronautics.

Oppervlaktespanning is vergelijkbaar met de oppervlaktespanning waardoor kleine insecten op water kunnen lopen, maakt waterdruppels bolvormig, en zorgt ervoor dat de menselijke huid aanvankelijk weerstand biedt aan de penetratie van een naald. Op de relatief grote schaal van gewone, alledaagse machines, oppervlaktespanning is verwaarloosbaar, maar het wordt cruciaal voor micro- en nanostructuren, hij zei.

Recente bevindingen zijn potentieel belangrijk omdat siliciumstructuren gemeten op de schaal van micrometers en nanometers essentiële componenten vormen van halfgeleiderprocessors, sensoren en een opkomende klasse van minuscule machines die micro-elektromechanische systemen worden genoemd.

"Het is gebleken dat de werking van dergelijke apparaten sterk wordt beïnvloed door hun bedrijfstemperatuur, "Zei Tomar. "Zulke dicht opeengepakte apparaten genereren tijdens het gebruik aanzienlijke warmte. Echter, tot nu toe hebben we niet kunnen meten hoe verwarming en oppervlaktespanning bijdragen aan mechanische eigenschappen."

Informatie over het platform en nieuwe onderzoeksresultaten werden gedetailleerd beschreven in drie papers die dit jaar werden gepubliceerd. De meest recente verscheen op 15 augustus in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde . Tomar leidde het onderzoek met voormalig promovendus Ming Gan, die is afgestudeerd en nu in de industrie werkt, en huidige promovendus Yang Zhang.

Bij Raman-spectroscopie, een laser interageert met het trillende kristalrooster van materialen, het verstrekken van informatie over de chemische samenstelling van de materialen.

"Maar we zijn niet in staat geweest om in-situ spanning of vervorming op te nemen in die chemische handtekeningen, "Zei Tomar. "Nu hebben we nanomechanische metingen gecombineerd in Raman-spectroscopie."

De onderzoekers gebruikten de techniek om silicium cantilevers op microschaal te bestuderen, kleine duikplankvormige reepjes van ongeveer 7 micron dik, of ongeveer een tiende van de dikte van een mensenhaar, en 225 micron lang. De uitkragingen werden gelijktijdig verwarmd en gespannen. Oppervlaktespanningen op micro- en nanoschaal werden voor het eerst gemeten in combinatie met temperatuurverandering en vervorming van een structuur.

Bevindingen tonen aan dat het verwarmen van een cantilever van 25 tot 100 graden Celsius terwijl er spanning op de structuur wordt uitgeoefend, een dramatische toename van de reksnelheid veroorzaakt, of vervorming.

De verwarming vermindert de bindingskrachten tussen atomen op het oppervlak van de structuren. De lagere bindingskracht resulteert in een "ontspannen" toestand van de oppervlakte- of nabij-oppervlakte-atomen die vordert naarmate de temperatuur stijgt, wat leidt tot scheuren en defecten aan het apparaat.

"De sleutel is om gelijktijdig thermische en mechanische eigenschappen te kunnen meten omdat ze met elkaar verband houden, en oppervlaktespanning beïnvloedt mechanische eigenschappen, ' zei Tomar.

Bevindingen zijn potentieel belangrijk voor het meten van componenten in batterijen om spanningen te bestuderen, aangezien ze voortdurend uitzetten en krimpen tijdens laad-ontlaadcycli. Gewone sensoren zijn niet bestand tegen de straffende omstandigheden in batterijen.

Echter, omdat Raman-spectroscopie een laser gebruikt om metingen uit te voeren, het hoeft niet aan de batterijen te worden bevestigd, waardoor een nieuw type sensor mogelijk is verwijderd van de barre omstandigheden in batterijen.

"Als je geen sensoren aan boord nodig hebt, kun je in extreme omgevingen gaan, " zei hij. "Je kunt leren hoe de spanningen evolueren, zodat we betere batterijen kunnen ontwerpen."

Een dergelijke technologie kan ook belangrijk zijn voor de ontwikkeling van supersterke composietmaterialen die lijken op die van sommige zeedieren die kunnen overleven in de extreme omstandigheden die worden aangetroffen in hydrothermale bronnen op de oceaanbodem. Een obstakel is het overwinnen van spanningen die optreden op de interfaces van verschillende lagen in de composietmaterialen.

"Deze materialen breken altijd op de grensvlakken, "Zei Tomar. "Nu kunnen we begrijpen hoe het materiaal vervormt, hoe de spanningen op het grensvlak zich ontwikkelen, en dit zal ons in staat stellen te voorspellen hoe we ze kunnen aanpassen."