30 juni 2020 (Nanowerk Nieuws) Mobiele telefoons, gegevensopslag voor laptops, zonnecellen, vermogenselektronica voor hernieuwbare energie of sensoren in auto's zijn toepassingen waarbij silicium het eerste materiaal is, ondanks het feit dat het mechanische gedrag ervan bij verhoogde temperatuur nog niet volledig is begrepen. Om efficiënte en betrouwbare geminiaturiseerde apparaten te ontwerpen die veilig werken met duurzaamheid bij temperaturen boven kamertemperatuur, wordt het begrijpen van de vervormingsmechanismen in silicium cruciaal. Wetenschappers van de Universiteit van Illinois, VS, en het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), Duitsland, presenteren inzichten uit geavanceerde kleinschalige mechanische experimenten die onverwachte plastische vervorming van silicium op nanoschaal verklaren. Ze publiceerden hun laatste resultaten in het tijdschrift PNAS ("Tijdsafhankelijke plasticiteit in silicium microbundels gemedieerd door dislocatie nucleatie").
Transmissie-elektronenmicroscopie afbeelding van een kleine siliciumbuigstraal waar dislocaties (donkere lijnen) zichtbaar worden en inzoomen op de atomaire rangschikking van imperfecties. (Afbeelding: Tristan Harzer, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Hoewel silicium in bulk bros is bij kamertemperatuur, wordt het taai bij temperaturen van ongeveer 540 ° C en begint het gemakkelijk te vervormen bij ongeveer 800 ° C. Het mechanische gedrag van silicium in apparaten op micro- en nanoschaal zoals gebruikt in de elektronica- en sensorindustrie, is heel anders. "In kleinschalige apparaten kruipt silicium bij veel lagere temperaturen van ongeveer 400 ° C, afhankelijk van het stressniveau dat het ervaart", legt Dr. Mohamed Elhebeary uit, voorheen doctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Illinois en nu bij Intel Corporation. De wetenschappers deden in situ buigingsexperimenten in een scanning elektronenmicroscoop bij 400 ° C, met behulp van silicium microbundels. Die microbundels worden vaak als veren in elektromechanische sensoren opgenomen. “Om dit soort experimenten te kunnen doen, hebben we de afgelopen jaren een nieuwe ontwikkeld in situ thermomechanische laboratorium-op-chip testopstelling. Op deze manier hebben we de veranderingen in vervorming en belasting in de tijd nauwkeurig gemeten ”, zegt prof. Taher Saif, professor aan de Universiteit van Illinois. De kleine afmetingen van de siliciumbalken en de spanning die wordt bereikt door buiging, resulteren in een hoog spanningsniveau nabij het oppervlak van de balk. Transmissie-elektronenmicroscopie-onderzoeken tot op atomair niveau werden uitgevoerd bij de MPIE in de afdeling "Structuur en Nano- / Micromechanica van Materialen" door Dr. Tristan Harzer, voorheen doctoraal onderzoeker aan de MPIE en nu bij JEOL Duitsland. Deze studies toonden aan dat de kiemvorming van dislocaties de onverwachte plastische vervorming van de siliciumbundels medieert. Daardoor beginnen dislocaties te kiemen van de oppervlakken op de plaatsen die het hoogste stressniveau ervaren tijdens het buigen, en verplaatsen ze zich naar de bulk. “Wat gebeurt er als een drempelwaarde voor stress wordt bereikt? We toonden aan dat bij een bepaald stressniveau meerdere dislocatie-nucleatiesites verschijnen. Naarmate de dislocaties zich in de massa verspreiden, treedt na verloop van tijd onomkeerbare vervorming op totdat het stressniveau te klein wordt om de dislocaties verder te verplaatsen ”, zegt prof. Gerhard Dehm, directeur van de MPIE. De wetenschappers toonden aan dat silicium dat in nano-elektronica wordt gebruikt, vervormt bij veel lagere temperaturen dan verwacht. Deze resultaten zijn belangrijk om betrouwbare nanodevices van silicium te ontwerpen die werken bij hoge temperaturen en stress.
