Удивительно прочный и деформируемый кремний

Исследователи в ETH и Empa показали, что крошечные объекты могут быть сделаны из кремния, который намного более деформируемый и прочный, чем считалось ранее. Таким образом, датчики в смартфонах можно было бы сделать меньше и прочнее.

С момента изобретения транзистора MOSFET шестьдесят лет назад химический элемент кремний, на котором он основан, стал неотъемлемой частью современной жизни. Он положил начало эре компьютеров, и к настоящему времени MOSFET стал самым производимым устройством в истории. 

Десятилетнее изучение кремния

Кремний легкодоступен, дешев и обладает идеальными электрическими свойствами, но есть и один важный недостаток: он очень хрупкий и поэтому легко ломается. Это может стать проблемой при попытке сделать из кремния микроэлектромеханические системы ( MEMS ), такие как датчики ускорения в современных смартфонах.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

В ETH в Цюрихе команда во главе с Джеффом Уилером, старшим научным сотрудником Лаборатории нанометаллургии, вместе с коллегами из Лаборатории механики материалов и наноструктур Empa, показала, что при определенных условиях кремний может быть намного прочнее и  быть более деформируемым, чем считалось ранее. Их результаты недавно были опубликованы в научном журнале Nature Communications.

"Это результат 10-летней работы", - говорит Уилер, который работал научным сотрудником в Empa до начала своей карьеры в ETH. Чтобы понять, как крошечные структуры кремния могут деформироваться, в рамках проекта по SNF он внимательно изучил широко используемый метод производства: сфокусированный ионный пучок. Такой пучок заряженных частиц может очень эффективно измельчать желаемые формы в кремниевую пластину, но при этом оставляет заметные следы в виде повреждений поверхности и дефектов, которые приводят к тому, что материал легче ломается.

У Уилера и его коллег возникла идея попробовать определенный вид литографии в качестве альтернативы методу ионного пучка. "Сначала мы производим желаемые конструкции - миниатюрные колонны в нашем случае - травлением необработанного материала участков поверхности кремния с помощью газовой плазмы", - объясняет Мин Чен (Ming Chen), бывший аспирант группы Уилера. На следующем этапе поверхность колонн, некоторые из которых имеют толщину более ста нанометров, сначала окисляется, а затем очищается, полностью удаляя слой окиси с помощью сильной кислоты.

Затем Чен с помощью электронного микроскопа исследовал прочность и пластическую деформируемость кремниевых колонн различной ширины и сравнил два метода производства. С этой целью он вдавил в столбы крошечный алмазный пуансон и изучил их деформационное поведение в электронном микроскопе.

Результаты были поразительными: Колонны, выточенные ионным пучком, разрушились на ширине менее полумикрометра. Напротив, колонны, изготовленные с помощью литографии, получили лишь незначительные трещины на ширине более четырех микрометров, в то время как более тонкие колонны выдерживали деформации намного лучше. "Эти литографические кремниевые столбы могут деформироваться при размерах, в десять раз превышающих те, которые мы видели у кремния, обработанного ионным лучом, с той же ориентацией кристаллов, с удвоенной прочностью!" - говорит Уилер, подводя итоги своих экспериментов.

Прочность литографически изготовленных столбов даже достигла значений, которые можно было бы ожидать только в теории, для идеальных кристаллов. Разница здесь, говорит Уилер, заключается в абсолютной чистоте поверхностей колонн, которая достигается за счет заключительного этапа очистки. Это приводит к гораздо меньшему количеству поверхностных дефектов, из которых может возникнуть трещина. С помощью Аллы Сологубенко, исследователя центра микроскопии ScopeM в ETH, эта дополнительная деформация также позволила команде наблюдать разительное изменение механизмов деформации при меньших размерах. Это выявило новые подробности того, как может деформироваться кремний.

Результаты, полученные исследователями ETH, могли бы оказать непосредственное влияние на изготовление кремниевых MEMS, говорит Уилер: "Таким образом, гироскопы, используемые в смартфонах, которые обнаруживают вращение устройства, можно было бы сделать еще меньше и прочнее".

Это не должно быть слишком сложно реализовать, учитывая, что промышленность уже использует комбинацию травления и очистки, которую изучили Уилер и его коллеги. По мнению исследователей, этот метод можно было бы применить и к другим материалам, имеющим кристаллическую структуру, подобную структуре кремния. Более того, более гибкий кремний можно было бы также использовать для дальнейшего улучшения электрических свойств материала для определенных применений. Применяя большую деформацию полупроводника, можно повысить подвижность его электроны, что может привести, например, к сокращению времени переключения. До сих пор для этого приходилось производить нанопровода, но теперь это можно будет сделать непосредственно с помощью структур, интегрированных в полупроводниковый чип. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet