Un pilar de silicio con un diámetro de 310 nanómetros a) antes de la carga yb) después de la deformación. La columna ha cedido a la fuerza aplicada y ha sufrido una deformación plástica.
(PhysOrg.com) - Silicio, el material semiconductor más importante de todos, generalmente se considera que es tan frágil y quebradizo como el vidrio de una ventana. En la escala nanométrica, sin embargo, la sustancia presenta propiedades muy diferentes, como lo han demostrado los investigadores de Empa de Suiza al crear diminutos pilares de silicio. Si los diámetros de las columnas se hacen lo suficientemente pequeños, luego, bajo carga, no se rompen simplemente, como lo harían grandes trozos de silicio, pero ceden a la presión y sufren deformaciones plásticas, como lo haría un metal. Este descubrimiento abre el camino a técnicas de diseño completamente nuevas desde el punto de vista de los materiales para microsistemas mecánicos y en la industria relojera.
El propio fundador de Empa, Ludwig von Tetmajer, investigó la carga mecánica de columnas en su época. A raíz del colapso de un puente ferroviario en Muenchenstein, sus experimentos de laboratorio mostraron que la fórmula de flexión de Euler no siempre es válida para varillas delgadas y necesita una corrección. "Básicamente, estamos haciendo lo mismo 127 años después en la escala nanométrica, y están aprendiendo cosas sorprendentes, en lugar de frágiles nanocolumnas de silicio que se rompen cuando se cargan, estamos viendo como sufren deformaciones plásticas como la mantequilla, "Explica Johann Michler, Jefe del laboratorio de 'Mecánica de materiales y nanoestructuras' de Empa en Thun.
Silicio:el material más importante en la industria de los semiconductores.
El silicio es la materia prima más utilizada en las industrias fotovoltaica y de semiconductores. También sirve como material de construcción básico para componentes electrónicos (como procesadores de computadora) y en muchos sensores y sistemas micromecánicos, como el brazo en voladizo en un microscopio de fuerza de barrido. Además, más del 90 por ciento de las células solares convencionales están hechas de silicio.
Pero el material tiene sus límites, porque el silicio es un elemento frágil:una oblea de silicio (el disco delgado de silicio y otros aditivos que forma el sustrato para las aplicaciones mencionadas anteriormente) se rompe en mil fragmentos bajo la más mínima carga, como una hoja de vidrio. Michler y sus colegas han demostrado ahora que esta propiedad cambia en la escala nanométrica. Para demostrar que este físico Fredrik Oestlund trató una placa de silicona con un FIB, un instrumento Focused Ion Beam que se utiliza para el análisis y preparación de superficies. Usando un haz de iones de galio, eliminó zonas de material en forma de anillo de la placa, capa por capa, dejando solo diminutos pilares de silicio en pie. Los diámetros de los pilares variaron entre 230 y 940 nanómetros.
Cargar experimentos con un nanoindentador
"Nuestras pruebas de flexión de pilares son, en principio, las mismas que los experimentos de Tetmajer, solo nuestros pilares son unas cien mil veces más pequeños, ", dice Michler. Para aplicar una fuerza a las columnas, los científicos utilizaron una herramienta de micro y nano precisión llamada nanoindentador, donde la punta aplanada de una herramienta de diamante en forma de pirámide, montado en un microscopio electrónico de barrido, presiona hacia abajo a lo largo del eje longitudinal de una columna de silicio. La fuerza ejercida por la punta se mide continuamente. Los pilares "más grandes" desarrollaron grietas cuando se cargaron y se rompieron en pedazos pequeños, mostrando el comportamiento típicamente frágil del silicio.
Sin embargo, cuando las columnas tuvieran diámetros inferiores a 400 nanómetros, no se desarrollaron grietas y las estructuras comenzaron a sufrir deformaciones plásticas. La razón de esto radica en la estructura interna del silicio:sus propiedades materiales no están determinadas por la disposición perfecta de los átomos, sino por los defectos en la disposición. Si las dimensiones de la columna son menores que la distancia promedio entre defectos en la estructura atómica del material, entonces las columnas pueden deformarse fácilmente. Oestlund y Michler, junto con sus socios de investigación de las universidades de Uppsala y Minnesota, publicado recientemente estos resultados en Materiales funcionales avanzados , una revista científica internacional respetada.
Un pilar de silicio con un diámetro de 940 nanómetros 940 después de la prueba de compresión. Los pilares con un diámetro superior a 400 nanómetros desarrollan grietas cuando se cargan.
Silicio con propiedades metálicas
"Nuestros resultados muestran que podría ser posible utilizar silicio como metal en aplicaciones mecánicas, si las dimensiones de la estructura de silicio son lo suficientemente pequeñas, "Michler especula. Los materiales metálicos son tolerantes a fallas y son capaces de absorber cargas de choque al deformarse sin romperse, por ejemplo. La construcción de componentes mecánicos con materiales quebradizos también es difícil, ya que tienden a fallar cuando la tensión cerca de un defecto se vuelve excesiva. Y dado que la ubicación precisa y el tamaño de los defectos críticos prácticamente siempre se desconocen, la carga crítica casi nunca se puede calcular con exactitud. Este cálculo es mucho más sencillo con un material metálico, que simplemente se deformará bajo una carga bien definida. Esta nueva propiedad de “buen comportamiento” de la deformación plástica en el silicio abre nuevas oportunidades para la industria relojera y en la fabricación de semiconductores en términos de diseño de micro y nanosistemas mecánicos.
Más información: Oestlund, F., Rzepiejewska-Malyska, K., Michler, J. et al .:transición de frágil a dúctil en la compresión uniaxial de pilares de silicio a temperatura ambiente, Adv. Funct. Importar. 2009, 19, 2439-2444; DOI:10.1002 / adfm.200900418
Proporcionado por EMPA
