p Pesquisadores da ETH e da Empa mostraram que pequenos objetos podem ser feitos de silício que são muito mais deformáveis ​​e fortes do que se pensava. Desta maneira, sensores em smartphones podem ser menores e mais robustos. p Desde a invenção do transistor MOSFET há sessenta anos, o elemento químico silício em que se baseia tornou-se parte integrante da vida moderna. Ele marcou o início da era do computador, e agora o MOSFET se tornou o dispositivo mais produzido da história. O silício está prontamente disponível, barato, e tem propriedades elétricas ideais, mas também uma desvantagem importante:é muito frágil e, Portanto, quebra facilmente. Isso pode se tornar um problema ao tentar fazer sistemas microeletromecânicos (MEMS) de silício, como os sensores de aceleração em smartphones modernos.

p Na ETH em Zurique, uma equipe liderada por Jeff Wheeler, Cientista Sênior do Laboratório de Nanometalurgia, junto com colegas do Laboratório de Mecânica de Materiais e Nanoestruturas da Empa, mostrou que, sob certas condições, o silício pode ser muito mais resistente e deformável do que se pensava anteriormente. Seus resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature Communications .

p Esforço de dez anos

p "Este é o resultado de um esforço de 10 anos, "diz Wheeler, que trabalhou como pesquisador na Empa antes de sua carreira na ETH. Para entender como pequenas estruturas de silício podem se deformar, dentro da estrutura de um projeto SNF, ele deu uma olhada em um método de produção amplamente usado:o feixe de íons focalizado. Tal feixe de partículas carregadas pode moer as formas desejadas em um wafer de silício de forma muito eficaz, mas, ao fazer isso, deixa traços distintos na forma de danos e defeitos superficiais, o que faz com que o material se quebre mais facilmente.

p Wheeler e seus colaboradores tiveram a ideia de tentar um tipo particular de litografia como alternativa ao método de feixe de íons. "Primeiro, produzimos as estruturas desejadas - pilares minúsculos em nosso caso - gravando material não mascarado das áreas da superfície de silício usando um plasma de gás, "explica Ming Chen, um ex-Ph.D. aluno do grupo de Wheeler. Em uma etapa posterior, a superfície dos pilares, alguns dos quais são mais estreitos do que cem nanômetros, são primeiro oxidados e depois limpos removendo completamente a camada de óxido com um ácido forte.

p Chen então estudou a resistência e a deformabilidade plástica de pilares de silício de diferentes larguras com um microscópio eletrônico e comparou os dois métodos de produção. Para esse fim, ele pressionou um minúsculo punção de diamante nos pilares e estudou seu comportamento de deformação no microscópio eletrônico.

p Resultados impressionantes

p Os resultados foram surpreendentes:os pilares que foram fresados ​​com um feixe de íons colapsaram em uma largura de menos de meio micrômetro. Por contraste, os pilares produzidos por litografia sofreram apenas fraturas frágeis em larguras acima de quatro micrômetros, enquanto os pilares mais finos foram capazes de suportar a tensão muito melhor. "Esses pilares de silício litográfico podem deformar em tamanhos dez vezes maiores do que vimos no silício usinado por feixe de íons com a mesma orientação de cristal, com o dobro da força! ", diz Wheeler, resumindo os resultados de seus experimentos.

p A força dos pilares produzidos litograficamente alcançou até valores que se esperaria apenas em teoria, para cristais ideais. O que faz a diferença aqui, diz Wheeler, é a pureza absoluta das superfícies dos pilares, que é conseguido na etapa final de limpeza. Isso resulta em um número muito menor de defeitos de superfície a partir dos quais uma fratura poderia se originar. Com a ajuda de Alla Sologubenko, um pesquisador do centro de microscopia ScopeM da ETH, esta deformabilidade adicional também permitiu à equipe observar uma mudança notável nos mecanismos de deformação em tamanhos menores. Isso revelou novos detalhes sobre como o silício pode deformar.

p Aplicativos em smartphones

p Os resultados obtidos pelos pesquisadores da ETH podem ter um impacto imediato na fabricação de MEMS de silício, Wheeler diz:"Desta forma, os giroscópios usados ​​em smartphones, que detectam rotações do dispositivo, poderia ser ainda menor e mais robusto. "

p Isso não deve ser muito difícil de perceber, dado que a indústria já está usando a combinação de gravação e limpeza que Wheeler e seus colegas investigaram. O método também pode ser aplicado a outros materiais com estruturas cristalinas semelhantes às do silício, os pesquisadores acreditam. Além disso, mais silício elástico também pode ser usado para melhorar ainda mais as propriedades elétricas do material para certas aplicações. Ao aplicar uma grande deformação do semicondutor, a mobilidade de seus elétrons pode ser aumentada, que pode levar, por exemplo, para tempos de comutação mais curtos. Até aqui, era preciso produzir nanofios para conseguir isso, mas agora isso poderia ser feito diretamente usando estruturas integradas em um chip semicondutor.