Un pilastro di silicio con un diametro di 310 nanometri a) prima del caricamento eb) dopo la deformazione. La colonna ha ceduto alla forza applicata e ha subito una deformazione plastica.
(PhysOrg.com) -- Silicio, il materiale semiconduttore più importante di tutti, è generalmente considerato fragile e fragile come il vetro di una finestra. Su scala nanometrica, però, la sostanza presenta proprietà molto diverse, come hanno dimostrato i ricercatori dell'Empa dalla Svizzera creando minuscoli pilastri di silicio. Se i diametri delle colonne sono sufficientemente piccoli, poi sotto carico non si staccano semplicemente, come farebbero grandi pezzi di silicio, ma cedono alla pressione e subiscono una deformazione plastica, come farebbe un metallo. Questa scoperta apre la strada a tecniche di progettazione completamente nuove dal punto di vista dei materiali per i microsistemi meccanici e nel settore dell'orologeria.
Lo stesso fondatore dell'Empa, Ludwig von Tetmajer, ha studiato il carico meccanico delle colonne nel suo tempo. All'indomani del crollo di un ponte ferroviario a Muenchenstein i suoi esperimenti di laboratorio hanno mostrato che la formula di flessione di Eulero non è sempre valida per barre sottili e necessitava di correzione. “Fondamentalmente stiamo facendo la stessa cosa 127 anni dopo su scala nanometrica, e stanno imparando cose sorprendenti - invece di fragili nanocolonne di silicio che si rompono quando vengono caricate, stiamo vedendo come subiscono deformazioni plastiche come il burro, ” spiega Johann Michler, Responsabile del laboratorio 'Meccanica dei Materiali e Nanostrutture' dell'Empa a Thun.
Silicio:il materiale più importante nell'industria dei semiconduttori
Il silicio è la materia prima più utilizzata nell'industria dei semiconduttori e nel fotovoltaico. Serve anche come materiale da costruzione di base per componenti elettronici (come processori di computer) e in molti sensori e sistemi micromeccanici, come il braccio a sbalzo in un microscopio a scansione di forza. Inoltre, più del 90% delle celle solari convenzionali sono realizzate in silicio.
Ma il materiale ha i suoi limiti, poiché il silicio è un elemento fragile - un wafer di silicio (il sottile disco di silicio e altri additivi che costituisce il substrato per le applicazioni sopra menzionate) si frantuma in mille schegge sotto il minimo carico, proprio come una lastra di vetro. Michler ei suoi colleghi hanno ora dimostrato che questa proprietà cambia su scala nanometrica. Per dimostrare questo fisico Fredrik Oestlund ha trattato una piastra di silicio usando un FIB, uno strumento Focused Ion Beam utilizzato per l'analisi e la preparazione delle superfici. Usando un fascio di ioni di gallio ha rimosso zone di materiale a forma di anello dalla piastra, strato per strato, lasciando in piedi solo minuscoli pilastri di silicio. I diametri dei pilastri variavano tra 230 e 940 nanometri.
Carica esperimenti con un nanoindentatore
"I nostri test di piegatura dei pilastri sono in linea di principio gli stessi degli esperimenti di Tetmajer, solo i nostri pilastri sono circa centomila volte più piccoli, " dice Michler. Per applicare una forza alle colonne gli scienziati hanno utilizzato uno strumento di precisione micro e nano chiamato nanoindenter, dove la punta appiattita di un utensile diamantato piramidale, montato in un microscopio elettronico a scansione, preme lungo l'asse longitudinale di una colonna di silicio. La forza esercitata dalla punta viene misurata continuamente. I pilastri "più grandi" hanno sviluppato crepe quando caricati e si sono rotti in piccoli pezzi, mostrando il comportamento tipicamente fragile del silicio.
Però, quando le colonne avevano diametri inferiori a 400 nanometri, non si sono sviluppate crepe e le strutture hanno iniziato a subire deformazioni plastiche. La ragione di ciò risiede nella struttura interna del silicio:le sue proprietà materiali non sono determinate dalla perfetta disposizione degli atomi ma dai difetti nella disposizione. Se le dimensioni della colonna sono inferiori alla distanza media tra i difetti nella struttura atomica del materiale, le colonne possono essere facilmente deformate. Öestlund e Michler, insieme ai loro partner di ricerca delle Università di Uppsala e Minnesota, recentemente pubblicato questi risultati in Materiali funzionali avanzati , una prestigiosa rivista scientifica internazionale.
Un pilastro di silicio con un diametro di 940 nanometri 940 dopo il test di compressione. Pilastri con un diametro superiore a 400 nanometri sviluppano crepe quando caricati.
Silicio con proprietà metalliche
"I nostri risultati mostrano che potrebbe essere possibile utilizzare il silicio come un metallo nelle applicazioni meccaniche, se le dimensioni della struttura del silicio sono sufficientemente piccole, " ipotizza Michler. I materiali metallici sono tolleranti ai guasti e sono in grado di assorbire i carichi d'urto deformandosi senza rompersi, Per esempio. Difficile è anche la costruzione di componenti meccanici che utilizzano materiali fragili, poiché tendono a guastarsi quando lo sforzo in prossimità di un difetto diventa eccessivo. E poiché la posizione precisa e la dimensione dei difetti critici sono praticamente sempre sconosciute, il carico critico non può quasi mai essere calcolato esattamente. Questo calcolo è molto più semplice con un materiale metallico, che si deformerà semplicemente sotto un carico ben definito. Questa nuova proprietà "buona" della deformazione plastica nel silicio apre nuove opportunità per l'industria dell'orologeria e nella produzione di semiconduttori in termini di progettazione di micro e nanosistemi meccanici.
Maggiori informazioni: estlund, F., Rzepiejewska-Malyska, K., Michele, J. et al.:Transizione da fragile a duttile nella compressione uniassiale di pilastri di silicio a temperatura ambiente, avv. Funz. Questione. 2009, 19, 2439-2444; DOI:10.1002/adfm.200900418
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