Halfgeleidermaterialen spelen een onmisbare rol in onze moderne informatiegerichte samenleving. Voor betrouwbare prestaties van halfgeleiderapparaten, deze materialen moeten superieure mechanische eigenschappen hebben:ze moeten zowel sterk als breukvast zijn, ondanks dat het rijk is aan structuren op nanoschaal.

Onlangs, het is steeds duidelijker geworden dat de optische omgeving de structurele sterkte van halfgeleidermaterialen beïnvloedt. Het effect kan veel groter zijn dan verwacht, vooral in lichtgevoelige halfgeleiders, en vooral omdat vanwege technologische beperkingen of fabricagekosten veel halfgeleiders alleen in zeer kleine en dunne maten in massa kunnen worden geproduceerd. Bovendien, laboratoriumtests van hun sterkte zijn over het algemeen uitgevoerd op grote monsters. In het licht van de recente explosie van opkomende toepassingen op nanoschaal, dit alles suggereert dat er een dringende behoefte is aan een herwaardering van de sterkte van halfgeleidermaterialen onder gecontroleerde verlichtingsomstandigheden en dunne steekproefomvang.

Hiertoe, Professor Atsutomo Nakamura's groep aan de Universiteit van Nagoya, Japan, en de groep van Dr. Xufei Fang aan de Technische Universiteit van Darmstadt hebben een techniek ontwikkeld voor het kwantitatief bestuderen van het effect van licht op mechanische eigenschappen op nanoschaal van dunne wafels van halfgeleiders of enig ander kristallijn materiaal. Ze noemen het een 'photo-indentation'-methode. Eigenlijk, een kleine, puntige sonde deukt het materiaal in terwijl het onder gecontroleerde omstandigheden wordt verlicht door licht, en de diepte en snelheid waarmee de sonde het oppervlak inspringt, kan worden gemeten. De sonde creëert dislocaties - wegglijden van kristalvlakken - nabij het oppervlak, en met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop observeren de onderzoekers het effect van licht op een reeks golflengten op dislocatie-nucleatie (de geboorte van nieuwe dislocaties) en dislocatiemobiliteit (de dislocaties glijden of glijden weg van het punt waar ze zijn gemaakt). Nucleatie en mobiliteit worden voor het eerst afzonderlijk gemeten en is een van de nieuwigheden van de foto-indentatietechniek.

De onderzoekers hebben ontdekt dat licht weliswaar een marginaal effect heeft op het ontstaan ​​van dislocaties onder mechanische belasting, het heeft een veel sterker effect op de beweging van dislocaties. Wanneer een dislocatie optreedt, het is energetisch gunstig voor het om uit te breiden en zich aan te sluiten (nucleëren) met anderen, en de imperfectie wordt groter. Belichting door licht heeft hier geen invloed op:de elektronen en gaten die door het licht in de halfgeleider worden geëxciteerd (de foto-geëxciteerde dragers) hebben geen invloed op de spanningsenergie van de dislocatie, en het is deze energie die de "lijnspanning" van de dislocatie bepaalt die het kiemvormingsproces regelt.

Anderzijds, dislocaties kunnen ook bewegen in een zogenaamde 'glijbeweging', waarbij foto-geëxciteerde dragers worden gesleept door dislocaties via elektrostatische interactie. Het effect van foto-geëxciteerde dragers op deze dislocatiebeweging is veel meer uitgesproken:als er voldoende dragers worden geproduceerd, het materiaal wordt veel sterker.

Dit effect wordt opvallend gedemonstreerd wanneer hetzelfde experiment wordt uitgevoerd in volledige duisternis en vervolgens onder verlichting met licht met een golflengte die overeenkomt met de halfgeleiderbandafstand (die een groter aantal foto-geëxciteerde dragers produceert). Wanneer ingesprongen, elk vast materiaal ondergaat aanvankelijk "plastische vervorming" - verandert van vorm zonder terug te veren, een beetje zoals stopverf - totdat de belasting te groot wordt, waarop het barst. De onderzoeksgroep van Nagoya University toonde aan dat het anorganische halfgeleider zinksulfide (ZnS) in totale duisternis zich enigszins als stopverf gedraagt, vervormen met een enorme 45% onder schuifspanning zonder te barsten of uit elkaar te vallen. Echter, wanneer verlicht op de juiste golflengte, het wordt nogal moeilijk. Op andere golflengten wordt het niet zo moeilijk.

De nieuwe bevindingen tonen aan dat puur plastische vervorming zonder scheurvorming in halfgeleidermaterialen plaatsvindt op nanoschaal. Wat betreft mechanisch gedrag, deze halfgeleiders lijken daarom op metalen materialen. Deze nieuw opgerichte, robuust experimenteel protocol maakt het mogelijk om het effect van licht op de sterkte van zelfs niet-halfgeleidende materialen die erg dun zijn te evalueren. Professor Nakamura merkt op:"Een bijzonder belangrijk aspect is dat niet-halfgeleiders halfgeleidende eigenschappen kunnen vertonen nabij het oppervlak, door oxidatie, bijvoorbeeld, en aangezien het beginpunt van vervorming of breuk vaak het oppervlak is, het is van groot belang om een ​​methode vast te stellen voor het nauwkeurig meten van de sterkte van materialen onder gecontroleerde verlichtingsomstandigheden aan het oppervlak, op nanoschaal."

Het verhardende effect dat elektron-gat-paren die door lichte verlichting zijn bevrijd, hebben op de materiaalsterkte - door de voortplanting van dislocaties te onderdrukken, vooral aan de oppervlakte - maakt deel uit van een paradigmaverschuiving in de wetenschap van materiële kracht. conventioneel, bij het overwegen van de sterkte van een materiaal, de atomaire rangschikking was de kleinste eenheid. Met andere woorden, er was een vooronderstelling dat de sterkte van het materiaal kon worden begrepen vanuit de atomaire rangschikking en elasticiteitstheorie. Echter, recente studies hebben gemeld dat de sterkte-eigenschappen van materialen aanzienlijk veranderen als gevolg van externe invloeden zoals licht en een elektrisch veld. Daarom, Professor Nakamura merkt op, "het wordt steeds meer geaccepteerd dat andere gezichtspunten moeten worden toegevoegd aan de theorie van materiële sterkte, waaronder de beweging van elektronen en gaten die kleiner zijn dan atomen."

"Deze studie bevestigt opnieuw het effect op kwantumniveau op de sterkte van dergelijke materialen. In dit opzicht, het kan worden gezegd dat dit onderzoek een mijlpaal heeft bereikt in de paradigmaverschuiving op het gebied van materiële sterkte die momenteel plaatsvindt."

Dr. Xufei Fang voegt toe:"Nu de creatie van apparaten op de echte nanoschaal een realiteit wordt, de impact van licht op de structurele sterkte van verschillende anorganische halfgeleiders is een punt van overweging."