Los cristales semiconductores inorgánicos generalmente tienden a fallar de manera frágil. Esto es cierto para el sulfuro de zinc (ZnS); Los cristales de ZnS (A) muestran una fractura catastrófica después de las pruebas mecánicas en entornos de exposición a la luz ordinarios (B). Sin embargo, descubrimos que los cristales de ZnS pueden deformarse plásticamente hasta una deformación de εt =45% cuando se deforman a lo largo de la dirección [001] en completa oscuridad incluso a temperatura ambiente (C). Es más, la banda prohibida óptica de los cristales de ZnS deformados disminuyó en 0,6 eV después de la deformación. Crédito:Atsutomo Nakamura
Los semiconductores inorgánicos como el silicio son indispensables en la electrónica moderna porque poseen una conductividad eléctrica sintonizable entre la de un metal y la de un aislante. La conductividad eléctrica de un semiconductor está controlada por su banda prohibida, cuál es la diferencia de energía entre sus bandas de valencia y conducción; una banda prohibida estrecha da como resultado un aumento de la conductividad porque es más fácil que un electrón se mueva de la valencia a la banda de conducción. Sin embargo, los semiconductores inorgánicos son frágiles, que puede provocar fallas en el dispositivo y limitar su rango de aplicación, particularmente en electrónica flexible.
Un grupo de la Universidad de Nagoya descubrió recientemente que un semiconductor inorgánico se comportaba de manera diferente en la oscuridad en comparación con la luz. Descubrieron que los cristales de sulfuro de zinc (ZnS), un semiconductor inorgánico representativo, eran frágiles cuando se exponen a la luz, pero flexibles cuando se mantienen en la oscuridad a temperatura ambiente. Los hallazgos fueron publicados en Ciencias .
"La influencia de la oscuridad total en las propiedades mecánicas de los semiconductores inorgánicos no se había investigado previamente, ", dice el coautor del estudio Atsutomo Nakamura." Descubrimos que los cristales de ZnS en completa oscuridad mostraban una plasticidad mucho mayor que los que estaban expuestos a la luz ".
Los cristales de ZnS en la oscuridad se deformaron plásticamente sin fracturarse hasta una gran deformación del 45%. El equipo atribuyó la mayor plasticidad de los cristales de ZnS en la oscuridad a la alta movilidad de las dislocaciones en completa oscuridad. Las dislocaciones son un tipo de defecto que se encuentra en los cristales y se sabe que influyen en las propiedades de los cristales. Bajo exposición a la luz, los cristales de ZnS eran frágiles porque su mecanismo de deformación era diferente al de la oscuridad.
La deformación plástica de los materiales es causada por la nucleación y multiplicación de dislocaciones bajo una fuerza externa (A y B). Generalmente se cree que los materiales semiconductores inorgánicos frágiles tienen dificultad en la formación de dislocaciones debido a sus fuertes enlaces químicos. Sin embargo, encontramos que una gran cantidad de dislocaciones se generan y se multiplican en cristales de ZnS durante la deformación en la oscuridad (C), resultando en la extraordinaria plasticidad. Crédito:Atsutomo Nakamura
La alta plasticidad de los cristales de ZnS en la oscuridad fue acompañada por una disminución considerable en la banda prohibida de los cristales deformados. Por lo tanto, la banda prohibida de los cristales de ZnS y, a su vez, su conductividad eléctrica pueden controlarse mediante deformaciones mecánicas en la oscuridad. El equipo propuso que la disminución de la banda prohibida de los cristales deformados fue causada por la deformación que introdujo dislocaciones en los cristales, que cambió la estructura de su banda.
"Este estudio revela la sensibilidad de las propiedades mecánicas de los semiconductores inorgánicos a la luz, ", dice el coautor Katsuyuki Matsunaga." Nuestros hallazgos pueden permitir el desarrollo de tecnología para diseñar cristales a través de la exposición a la luz controlada ".
Los resultados de los investigadores sugieren que la fuerza, fragilidad y la conductividad de los semiconductores inorgánicos puede estar regulada por la exposición a la luz, abriendo una vía interesante para optimizar el desempeño de semiconductores inorgánicos en electrónica.
