I cristalli semiconduttori inorganici generalmente tendono a cedere in modo fragile. Questo è vero per il solfuro di zinco (ZnS); I cristalli di ZnS (A) mostrano una frattura catastrofica dopo test meccanici in normali ambienti di esposizione alla luce (B). Però, abbiamo scoperto che i cristalli di ZnS possono essere deformati plasticamente fino a una deformazione di εt =45 % quando deformati lungo la direzione [001] in completa oscurità anche a temperatura ambiente (C). Inoltre, il gap di banda ottico dei cristalli di ZnS deformati è diminuito di 0,6 eV dopo la deformazione. Credito:Atsutomo Nakamura
I semiconduttori inorganici come il silicio sono indispensabili nell'elettronica moderna perché possiedono una conduttività elettrica sintonizzabile tra quella di un metallo e quella di un isolante. La conduttività elettrica di un semiconduttore è controllata dal suo band gap, che è la differenza di energia tra la sua banda di valenza e quella di conduzione; un intervallo di banda stretto determina un aumento della conduttività perché è più facile per un elettrone spostarsi dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Però, i semiconduttori inorganici sono fragili, che può portare a guasti del dispositivo e limita il loro campo di applicazione, in particolare nell'elettronica flessibile.
Un gruppo dell'Università di Nagoya ha recentemente scoperto che un semiconduttore inorganico si comporta diversamente al buio rispetto alla luce. Hanno scoperto che i cristalli di solfuro di zinco (ZnS), un semiconduttore inorganico rappresentativo, erano fragili se esposti alla luce ma flessibili se tenuti al buio a temperatura ambiente. I risultati sono stati pubblicati in Scienza .
"L'influenza dell'oscurità completa sulle proprietà meccaniche dei semiconduttori inorganici non era stata precedentemente studiata, "Il coautore dello studio Atsutomo Nakamura afferma. "Abbiamo scoperto che i cristalli di ZnS nell'oscurità completa mostravano una plasticità molto più elevata rispetto a quelli esposti alla luce".
I cristalli di ZnS al buio si sono deformati plasticamente senza frattura fino a una grande deformazione del 45%. Il team ha attribuito la maggiore plasticità dei cristalli di ZnS al buio all'elevata mobilità delle dislocazioni nella completa oscurità. Le lussazioni sono un tipo di difetto riscontrato nei cristalli e si sa che influenzano le proprietà dei cristalli. Sotto l'esposizione alla luce, i cristalli di ZnS erano fragili perché il loro meccanismo di deformazione era diverso da quello al buio.
La deformazione plastica dei materiali è causata dalla nucleazione e dalla moltiplicazione delle dislocazioni sotto una forza esterna (A e B). Si ritiene generalmente che i materiali semiconduttori inorganici fragili abbiano difficoltà nella formazione di dislocazioni a causa dei loro forti legami chimici. Però, abbiamo scoperto che un gran numero di dislocazioni viene generato e moltiplicato nei cristalli di ZnS durante la deformazione al buio (C), con conseguente straordinaria plasticità. Credito:Atsutomo Nakamura
L'elevata plasticità dei cristalli di ZnS al buio è stata accompagnata da una notevole diminuzione della banda proibita dei cristalli deformati. Così, il band gap dei cristalli di ZnS e, a sua volta, la loro conduttività elettrica possono essere controllati mediante deformazione meccanica al buio. Il team ha proposto che la riduzione della banda proibita dei cristalli deformati fosse causata dalla deformazione che introduceva dislocazioni nei cristalli, che ha cambiato la loro struttura di band.
"Questo studio rivela la sensibilità delle proprietà meccaniche dei semiconduttori inorganici alla luce, ", afferma il coautore Katsuyuki Matsunaga. "I nostri risultati potrebbero consentire lo sviluppo della tecnologia per progettare i cristalli attraverso un'esposizione alla luce controllata".
I risultati dei ricercatori suggeriscono che la forza, fragilità, e la conduttività dei semiconduttori inorganici può essere regolata dall'esposizione alla luce, aprendo una strada interessante per ottimizzare le prestazioni dei semiconduttori inorganici nell'elettronica.
