I materiali semiconduttori svolgono un ruolo indispensabile nella nostra moderna società orientata all'informazione. Per prestazioni affidabili dei dispositivi a semiconduttore, questi materiali devono avere proprietà meccaniche superiori:devono essere forti oltre che resistenti alla frattura, pur essendo ricco di strutture su scala nanometrica.

Recentemente, è diventato sempre più chiaro che l'ambiente ottico influisce sulla resistenza strutturale dei materiali semiconduttori. L'effetto può essere molto più significativo del previsto, soprattutto nei semiconduttori sensibili alla luce, e soprattutto perché a causa di vincoli tecnologici o costi di fabbricazione molti semiconduttori possono essere prodotti in serie solo in dimensioni molto piccole e sottili. Inoltre, i test di laboratorio della loro resistenza sono stati generalmente eseguiti su campioni di grandi dimensioni. Alla luce della recente esplosione di applicazioni su nanoscala emergenti, tutto ciò suggerisce l'urgente necessità di rivalutare la resistenza dei materiali semiconduttori in condizioni di illuminazione controllata e con campioni di dimensioni ridotte.

A tal fine, Il gruppo del professor Atsutomo Nakamura all'Università di Nagoya, Giappone, e il gruppo del Dr. Xufei Fang presso l'Università tecnica di Darmstadt hanno sviluppato una tecnica per studiare quantitativamente l'effetto della luce sulle proprietà meccaniche su nanoscala di sottili wafer di semiconduttori o qualsiasi altro materiale cristallino. Lo chiamano un metodo di "fotoindentazione". Essenzialmente, un piccolo, sonda appuntita fa rientrare il materiale mentre è illuminato dalla luce in condizioni controllate, e la profondità e la velocità con cui la sonda incide la superficie può essere misurata. La sonda crea dislocazioni - slittamenti di piani cristallini - vicino alla superficie, e utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione i ricercatori osservano l'effetto della luce a una gamma di lunghezze d'onda sulla nucleazione della dislocazione (la nascita di nuove dislocazioni) e sulla mobilità della dislocazione (lo scivolamento o lo scorrimento delle dislocazioni dal punto in cui sono state create). La nucleazione e la mobilità vengono misurate separatamente per la prima volta ed è una delle novità della tecnica della fotoindentazione.

I ricercatori hanno scoperto che mentre la luce ha un effetto marginale sulla generazione di dislocazioni sotto carico meccanico, ha un effetto molto più forte sul movimento delle dislocazioni. Quando si verifica una dislocazione, è energeticamente favorevole che si espanda e si unisca (nuclea) con gli altri, e l'imperfezione diventa più grande. L'illuminazione della luce non influisce su questo:gli elettroni e le lacune eccitati nel semiconduttore dalla luce (i portatori fotoeccitati) non influenzano l'energia di deformazione della dislocazione, ed è questa energia che determina la "tensione di linea" della dislocazione che controlla il processo di nucleazione.

D'altra parte, le dislocazioni possono anche muoversi in un cosiddetto 'movimento di scivolamento', durante il quale i portatori fotoeccitati vengono trascinati da dislocazioni tramite interazione elettrostatica. L'effetto dei portatori fotoeccitati su questo movimento di dislocazione è molto più pronunciato:se vengono prodotti abbastanza portatori, il materiale diventa molto più resistente.

Questo effetto è sorprendentemente dimostrato quando lo stesso esperimento viene eseguito in completa oscurità e quindi sotto illuminazione con luce a una lunghezza d'onda che corrisponde al gap di banda del semiconduttore (che produce un numero maggiore di portatori fotoeccitati). Quando rientrato, qualsiasi materiale solido inizialmente subisce una "deformazione plastica", cambiando forma senza tornare indietro, un po' come stucco, finché il carico diventa troppo grande, su cui si incrina. Il gruppo di ricerca dell'Università di Nagoya ha dimostrato che il semiconduttore inorganico solfuro di zinco (ZnS) nell'oscurità totale si comporta in qualche modo come stucco, deformandosi di un enorme 45% sotto sforzo di taglio senza rompersi o cadere a pezzi. Però, quando illuminato alla lunghezza d'onda corretta, diventa piuttosto difficile. Ad altre lunghezze d'onda diventa meno difficile.

Le nuove scoperte dimostrano che la deformazione puramente plastica senza formazione di crepe nei materiali semiconduttori avviene su scala nanometrica. Per quanto riguarda il comportamento meccanico, questi semiconduttori assomigliano quindi a materiali metallici. Questo di recente costituzione, un robusto protocollo sperimentale consente di valutare l'effetto della luce sulla resistenza anche di materiali non semiconduttori molto sottili. Il professor Nakamura osserva:"Un aspetto particolarmente importante è che i non semiconduttori possono esibire proprietà semiconduttive vicino alla superficie, per ossidazione, ad esempio, e poiché il punto di partenza della deformazione o frattura è spesso la superficie, è di grande importanza stabilire un metodo per misurare con precisione la resistenza dei materiali in condizioni di illuminazione controllata proprio sulla superficie, su scala nanometrica".

L'effetto di indurimento che le coppie elettrone-lacuna liberate dall'illuminazione della luce hanno sulla resistenza del materiale, sopprimendo la propagazione delle dislocazioni, particolarmente vicino alla superficie, fa parte di un cambio di paradigma nella scienza della forza materiale. Convenzionalmente, quando si considera la resistenza di un materiale, la disposizione atomica era l'unità più piccola. In altre parole, c'era una premessa che la forza del materiale potesse essere compresa dalla disposizione atomica e dalla teoria dell'elasticità. Però, studi recenti hanno riportato che le caratteristiche di resistenza dei materiali cambiano in modo significativo a causa di influenze esterne come la luce e un campo elettrico. Perciò, Il professor Nakamura osserva, "sta diventando sempre più accettato che altri punti di vista debbano essere aggiunti alla teoria della forza materiale che includano il movimento di elettroni e buchi che sono più piccoli degli atomi".

"Questo studio riafferma l'effetto a livello quantistico sulla resistenza di tali materiali. A questo proposito, si può dire che questa ricerca ha raggiunto una pietra miliare nel cambio di paradigma nel campo della forza materiale che è attualmente in corso."

Il Dr. Xufei Fang aggiunge:"Ora che la creazione di dispositivi sulla vera nanoscala sta diventando una realtà, l'impatto della luce sulla resistenza strutturale di vari semiconduttori inorganici è un problema da considerare."