Cristais semicondutores inorgânicos geralmente tendem a falhar de maneira frágil. Isso é verdadeiro para o sulfeto de zinco (ZnS); Os cristais de ZnS (A) mostram fratura catastrófica após testes mecânicos em ambientes comuns de exposição à luz (B). Contudo, descobrimos que os cristais de ZnS podem ser deformados plasticamente até uma deformação de deformação de εt =45% quando deformados ao longo da direção [001] na escuridão total, mesmo em temperatura ambiente (C). Além disso, o gap óptico dos cristais de ZnS deformados diminuiu 0,6 eV após a deformação. Crédito:Atsutomo Nakamura
Semicondutores inorgânicos como o silício são indispensáveis na eletrônica moderna porque possuem condutividade elétrica sintonizável entre a de um metal e a de um isolador. A condutividade elétrica de um semicondutor é controlada por seu gap, qual é a diferença de energia entre suas bandas de valência e condução; um gap estreito resulta em maior condutividade porque é mais fácil para um elétron se mover da valência para a banda de condução. Contudo, semicondutores inorgânicos são quebradiços, o que pode levar à falha do dispositivo e limitar seu alcance de aplicação, particularmente na eletrônica flexível.
Um grupo da Universidade de Nagoya descobriu recentemente que um semicondutor inorgânico se comportava de maneira diferente no escuro em comparação com a luz. Eles descobriram que os cristais de sulfeto de zinco (ZnS), um semicondutor inorgânico representativo, eram quebradiços quando expostos à luz, mas flexíveis quando mantidos no escuro em temperatura ambiente. Os resultados foram publicados em Ciência .
"A influência da escuridão completa nas propriedades mecânicas dos semicondutores inorgânicos não havia sido investigada anteriormente, "O co-autor do estudo, Atsutomo Nakamura, diz." Descobrimos que os cristais de ZnS na escuridão total exibiam uma plasticidade muito maior do que aqueles sob exposição à luz. "
Os cristais de ZnS no escuro se deformaram plasticamente sem fratura até uma grande deformação de 45%. A equipe atribuiu o aumento da plasticidade dos cristais de ZnS no escuro à alta mobilidade dos deslocamentos na escuridão completa. Deslocamentos são um tipo de defeito encontrado nos cristais e são conhecidos por influenciar as propriedades dos cristais. Sob exposição à luz, os cristais de ZnS eram quebradiços porque seu mecanismo de deformação era diferente daquele no escuro.
A deformação plástica dos materiais é causada pela nucleação e multiplicação de deslocamentos sob uma força externa (A e B). Em geral, acredita-se que os materiais semicondutores inorgânicos quebradiços têm dificuldade na formação de deslocamentos devido às suas fortes ligações químicas. Contudo, descobrimos que um grande número de deslocamentos são gerados e multiplicados em cristais de ZnS durante a deformação no escuro (C), resultando na extraordinária plasticidade. Crédito:Atsutomo Nakamura
A alta plasticidade dos cristais de ZnS no escuro foi acompanhada por uma diminuição considerável no gap dos cristais deformados. Assim, o gap de banda de cristais de ZnS e, por sua vez, sua condutividade elétrica pode ser controlada por deformação mecânica no escuro. A equipe propôs que a diminuição da lacuna de banda dos cristais deformados foi causada pela deformação introduzindo deslocamentos nos cristais, que mudou sua estrutura de banda.
"Este estudo revela a sensibilidade das propriedades mecânicas dos semicondutores inorgânicos à luz, "O co-autor Katsuyuki Matsunaga diz." Nossas descobertas podem permitir o desenvolvimento de tecnologia para criar cristais por meio de exposição à luz controlada. "
Os resultados dos pesquisadores sugerem que a força, fragilidade, e a condutividade de semicondutores inorgânicos pode ser regulada pela exposição à luz, abrindo um caminho interessante para otimizar o desempenho de semicondutores inorgânicos em eletrônica.
