p (PhysOrg.com) - Silício, o material semicondutor mais importante de todos, geralmente é considerado tão frágil e quebrável quanto o vidro da janela. Na escala nanométrica, Contudo, a substância exibe propriedades muito diferentes, como os pesquisadores da Empa da Suíça mostraram ao criar minúsculos pilares de silício. Se os diâmetros das colunas forem pequenos o suficiente, então, sob carga, eles simplesmente não se partem, como grandes pedaços de silício, mas eles cedem à pressão e sofrem deformação plástica, como um metal faria. Esta descoberta abre caminho para técnicas de design completamente novas do ponto de vista de materiais para microssistemas mecânicos e na indústria relojoeira. p O próprio fundador da Empa, Ludwig von Tetmajer, investigou o carregamento mecânico de colunas em seu tempo. Após o colapso de uma ponte ferroviária em Muenchenstein, seus experimentos de laboratório mostraram que a fórmula de dobra de Euler nem sempre é válida para hastes finas e a correção necessária. “Basicamente, estamos fazendo a mesma coisa 127 anos depois, na escala nanométrica, e estão aprendendo coisas surpreendentes - em vez de nanocolunas de silício frágeis que quebram quando carregadas, estamos vendo como eles sofrem deformação plástica como manteiga, ”Explica Johann Michler, Chefe do laboratório de 'Mecânica dos Materiais e Nanoestruturas' da Empa em Thun.

p Silício - o material mais importante na indústria de semicondutores

p O silício é a matéria-prima mais comumente usada nas indústrias de semicondutores e fotovoltaica. Também serve como material de construção básico para componentes eletrônicos (como processadores de computador) e em muitos sensores e sistemas micromecânicos, como o braço cantilever em um microscópio de força de varredura. Além disso, mais de 90 por cento das células solares convencionais são feitas de silício.

p Mas o material tem seus limites, pois o silício é um elemento quebradiço - uma pastilha de silício (o disco fino de silício e outros aditivos que forma o substrato para as aplicações mencionadas acima) se estilhaça em mil fragmentos sob a menor carga, como uma folha de vidro. Michler e seus colegas mostraram agora que essa propriedade muda na escala nanométrica. Para demonstrar este físico Fredrik Oestlund tratou uma placa de silício usando um FIB, um instrumento Focused Ion Beam que é usado para a análise e preparação de superfícies. Usando um feixe de íons de gálio, ele removeu zonas em forma de anel de material da placa, camada por camada, deixando apenas pequenos pilares de silício em pé. Os diâmetros dos pilares variaram entre 230 e 940 nanômetros.

p Carregar experimentos com um nanoindentador

p "Nossos testes de flexão de pilares são, em princípio, os mesmos que os experimentos de Tetmajer, apenas nossos pilares são cerca de cem mil vezes menores, ", diz Michler. Para aplicar uma força às colunas, os cientistas usaram uma ferramenta de micro e nano precisão chamada nanoindentador, onde a ponta achatada de uma ferramenta de diamante em forma de pirâmide, montado em um microscópio eletrônico de varredura, pressiona para baixo ao longo do eixo longitudinal de uma coluna de silício. A força exercida pela ponta é medida continuamente. Pilares "maiores" desenvolveram rachaduras quando carregados e quebraram em pequenos pedaços, mostrando o comportamento tipicamente frágil do silício.

p Contudo, quando as colunas tinham diâmetros inferiores a 400 nanômetros, não surgiram fissuras e as estruturas começaram a sofrer deformações plásticas. A razão para isso está na estrutura interna do silício - suas propriedades materiais não são determinadas pelo arranjo perfeito dos átomos, mas pelas falhas no arranjo. Se as dimensões da coluna forem menores que a distância média entre os defeitos na estrutura atômica do material, então as colunas podem ser facilmente deformadas. Oestlund e Michler, junto com seus parceiros de pesquisa das Universidades de Uppsala e Minnesota, publicou recentemente esses resultados em Materiais Funcionais Avançados , uma respeitada revista científica internacional.

p Silício com propriedades metálicas

p "Nossos resultados mostram que pode ser possível usar o silício como um metal em aplicações mecânicas, se as dimensões da estrutura de silício forem pequenas o suficiente, "Michler especula. Os materiais metálicos são tolerantes a falhas e são capazes de absorver cargas de choque deformando sem quebrar, por exemplo. A construção de componentes mecânicos com materiais quebradiços também é difícil, uma vez que tendem a falhar quando a tensão próxima a um defeito se torna excessiva. E uma vez que a localização precisa e o tamanho dos defeitos críticos são praticamente sempre desconhecidos, a carga crítica quase nunca pode ser calculada com exatidão. Este cálculo é muito mais simples com um material metálico, que simplesmente se deforma sob uma carga bem definida. Esta nova propriedade “bem comportada” de deformação plástica em silício abre novas oportunidades para a indústria relojoeira e na fabricação de semicondutores em termos de projeto de micro e nanossistemas mecânicos.

p Mais Informações: Oestlund, F., Rzepiejewska-Malyska, K., Michler, J. et al .:Transição frágil para dúctil na compressão uniaxial de pilares de silício à temperatura ambiente, Adv. Funct. Matéria. 2009, 19, 2439-2444; DOI:10.1002 / adfm.200900418

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