Los materiales semiconductores juegan un papel indispensable en nuestra sociedad moderna orientada a la información. Para un rendimiento confiable de dispositivos semiconductores, Estos materiales deben tener propiedades mecánicas superiores:deben ser fuertes y resistentes a la fractura. a pesar de ser rico en estructuras a nanoescala.

Recientemente, Cada vez es más evidente que el entorno óptico afecta la resistencia estructural de los materiales semiconductores. El efecto puede ser mucho más significativo de lo esperado, especialmente en semiconductores sensibles a la luz, y particularmente debido a que debido a limitaciones tecnológicas o al costo de fabricación, muchos semiconductores solo pueden producirse en masa en tamaños muy pequeños y delgados. Es más, Las pruebas de laboratorio de su concentración se han realizado generalmente en muestras grandes. A la luz de la reciente explosión de aplicaciones emergentes a nanoescala, todo esto sugiere que existe una necesidad urgente de reevaluar la resistencia de los materiales semiconductores en condiciones de iluminación controladas y tamaños de muestra delgados.

Para tal fin, El grupo del profesor Atsutomo Nakamura en la Universidad de Nagoya, Japón, y el grupo del Dr. Xufei Fang en la Universidad Técnica de Darmstadt han desarrollado una técnica para estudiar cuantitativamente el efecto de la luz en las propiedades mecánicas a nanoescala de obleas delgadas de semiconductores o cualquier otro material cristalino. Lo llaman método de 'fotoindentación'. Esencialmente, una pequeña, La sonda puntiaguda marca el material mientras está iluminado por luz en condiciones controladas, y se puede medir la profundidad y la velocidad a la que la sonda incrusta la superficie. La sonda crea dislocaciones (deslizamientos de planos de cristal) cerca de la superficie, y utilizando un microscopio electrónico de transmisión, los investigadores observan el efecto de la luz en un rango de longitudes de onda sobre la nucleación de las dislocaciones (el nacimiento de nuevas dislocaciones) y la movilidad de las dislocaciones (el deslizamiento o deslizamiento de las dislocaciones desde el punto donde fueron creadas). La nucleación y la movilidad se miden por separado por primera vez y es una de las novedades de la técnica de fotoindentación.

Los investigadores han descubierto que, si bien la luz tiene un efecto marginal en la generación de dislocaciones bajo carga mecánica, tiene un efecto mucho más fuerte sobre el movimiento de las dislocaciones. Cuando ocurre una dislocación, es energéticamente favorable para expandirse y unirse (nuclearse) con otros, y la imperfección se agranda. La iluminación por luz no afecta esto:los electrones y los agujeros excitados en el semiconductor por la luz (los portadores fotoexcitados) no afectan la energía de deformación de la dislocación, y es esta energía la que determina la "tensión de línea" de la dislocación que controla el proceso de nucleación.

Por otra parte, las dislocaciones también pueden moverse en un llamado 'movimiento de deslizamiento', durante el cual los portadores fotoexcitados son arrastrados por dislocaciones a través de la interacción electrostática. El efecto de los portadores fotoexcitados en este movimiento de dislocación es mucho más pronunciado:si se producen suficientes portadores, el material se vuelve mucho más fuerte.

Este efecto se demuestra sorprendentemente cuando el mismo experimento se lleva a cabo en completa oscuridad y luego bajo iluminación con luz a una longitud de onda que coincide con la banda prohibida del semiconductor (que produce un mayor número de portadores fotoexcitados). Cuando está sangrado, cualquier material sólido sufre inicialmente una "deformación plástica":cambia de forma sin retroceder, algo así como masilla, hasta que la carga sea demasiado grande, sobre el que se agrieta. El grupo de investigación de la Universidad de Nagoya demostró que el sulfuro de zinc semiconductor inorgánico (ZnS) en la oscuridad total se comporta como masilla, deformarse en un enorme 45% bajo tensión de cizallamiento sin agrietarse ni desmoronarse. Sin embargo, cuando se ilumina con la longitud de onda correcta, se vuelve bastante difícil. En otras longitudes de onda, no se vuelve tan difícil.

Los nuevos hallazgos demuestran que la deformación puramente plástica sin formación de grietas en materiales semiconductores ocurre a nanoescala. En cuanto al comportamiento mecánico, por tanto, estos semiconductores se asemejan a materiales metálicos. Este recién establecido, El protocolo experimental robusto permite evaluar el efecto de la luz sobre la resistencia de incluso materiales no semiconductores que son muy delgados. El profesor Nakamura señala:"Un aspecto particularmente importante es que los no semiconductores pueden exhibir propiedades semiconductoras cerca de la superficie, debido a la oxidación, por ejemplo, y dado que el punto de partida de la deformación o fractura es a menudo la superficie, Es de gran importancia establecer un método para medir con precisión la resistencia de los materiales en condiciones de iluminación controladas en la misma superficie. en una nanoescala ".

El efecto de endurecimiento que tienen los pares de agujeros de electrones liberados por la iluminación ligera sobre la resistencia del material, al suprimir la propagación de dislocaciones, particularmente cerca de la superficie, es parte de un cambio de paradigma en la ciencia de la fuerza material. Convencionalmente al considerar la resistencia de un material, la disposición atómica era la unidad más pequeña. En otras palabras, Existía la premisa de que la resistencia del material podía entenderse a partir de la teoría de la disposición atómica y la elasticidad. Sin embargo, Estudios recientes han informado que las características de resistencia de los materiales cambian significativamente debido a influencias externas como la luz y un campo eléctrico. Por lo tanto, El profesor Nakamura señala:"Se acepta cada vez más que se deben agregar otros puntos de vista a la teoría de la fuerza de los materiales, que incluyen el movimiento de electrones y huecos que son más pequeños que los átomos".

"Este estudio reafirma el efecto del nivel cuántico sobre la resistencia de dichos materiales. En este sentido, se puede decir que esta investigación ha logrado un hito en el cambio de paradigma en el campo de la resistencia de los materiales que se está produciendo actualmente ”.

El Dr. Xufei Fang agrega:"Ahora que la creación de dispositivos en la verdadera nanoescala se está convirtiendo en una realidad, el impacto de la luz en la resistencia estructural de varios semiconductores inorgánicos es un tema a considerar ".