(PhysOrg.com) -- Sulla macroscala, il silicio è un materiale fragile che non può essere facilmente modellato nella forma desiderata. Ma gli scienziati hanno scoperto che un pezzo di silicio lungo solo 3 nm può essere allungato fino a oltre 20 volte la sua lunghezza originale senza rompersi. Se i ricercatori possono sfruttare la plasticità del silicio su scala nanometrica, potrebbero potenzialmente modellare il materiale in nanostrutture di forme diverse per applicazioni tecnologiche.
Gli scienziati, Tadashi Ishida dell'Università di Tokyo e coautori di altre istituzioni in Giappone e Francia, hanno pubblicato il loro studio sulla plasticità su scala nanometrica del silicio in un recente numero di Nanotecnologia .
Sebbene alcuni ricercatori abbiano previsto che materiali macroscopicamente fragili come il silicio e altri materiali covalenti (i cui atomi sono tenuti insieme da forti legami covalenti) dovrebbero mostrare plasticità su scala nanometrica, misurare le proprietà dei materiali di dimensioni nanometriche è difficile per motivi tecnici. Alcune delle principali difficoltà includono la ricerca di modi per bloccare in modo sicuro le estremità del materiale e il monitoraggio delle proprietà durante i test.
Per superare queste difficoltà, gli scienziati hanno utilizzato un nuovo metodo che coinvolge un sistema microelettromeccanico e un microscopio elettronico a trasmissione, che chiamano MEMS-in-TEM. Con questo allestimento, i ricercatori hanno potuto manipolare contemporaneamente il silicio utilizzando il dispositivo MEMS osservando i risultati in tempo reale con il microscopio.
Partendo da un pezzo cilindrico di silicio con una lunghezza di 3 nm e un diametro di 50 nm, i ricercatori hanno tirato il silicio a una velocità quasi statica, facendolo allungare. In un arco di tempo di 30 minuti, il silicio allungato da 3 nm a 61,6 nm, mentre il diametro diminuiva gradualmente. I ricercatori hanno eseguito l'esperimento su sette campioni fino a quando i "nanoponti" di silicio hanno finalmente raggiunto il punto di frattura.
“Un lento carico di trazione ha dato tempo sufficiente per diffondere gli atomi di silicio nel nanoponte di silicio e deformare gradualmente la struttura amorfa nel ponte, "Ha detto Ishida PhysOrg.com . “La superplasticità è stata indotta dalla combinazione di diffusione superficiale indotta da stress e deformazione amorfa intergranulare, compresi i nano grani di silicio cristallino.”
Nella diffusione superficiale indotta da stress, il primo dei due fattori, gli atomi di silicio si diffondono sulla superficie per aumentare la lunghezza del nanoponte, che si verifica a causa di tensioni e sollecitazioni meccaniche. Il secondo fattore, deformazione amorfa intergranulare, può essere descritto come un flusso "creep" del materiale intergranulare nel silicio, e i nanocristalli si adattano a questo flusso. Le osservazioni degli scienziati suggeriscono che, quando il diametro del nanoponte diventa paragonabile alla dimensione media dei nanocristalli, il nanoponte raggiunge il suo punto di snervamento critico e non può allungarsi ulteriormente.
Questa capacità di allungare il silicio su scala nanometrica, che si fa a temperatura ambiente, potrebbe avere implicazioni per molti dispositivi elettronici basati sul silicio, poiché il silicio potrebbe essere modellato in forme specifiche.
“Con questa tecnica, puoi modificare con precisione la superficie delle nanostrutture e migliorarne le prestazioni, disse Ishida. “Questa tecnica può essere applicata a tutti i meccanici, dispositivi elettrici e ottici, come cablaggi e giunti su scala nanometrica, sensori di gas a nanocavo, e dispositivi fotovoltaici, per migliorare le proprie prestazioni”.
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