Licht in combinatie met kracht laat zien hoe materialen harder worden als ze worden verlicht

Halfgeleidermaterialen spelen een onmisbare rol in onze moderne informatiegerichte samenleving. Voor betrouwbare prestaties van halfgeleidercomponenten moeten deze materialen superieure mechanische eigenschappen hebben: ze moeten zowel sterk als breukvast zijn, ondanks dat ze rijk zijn aan structuren op nanoschaal.

Onlangs is het steeds duidelijker geworden dat de optische omgeving de structurele sterkte van halfgeleidermaterialen beïnvloedt. Het effect kan veel groter zijn dan verwacht, vooral bij lichtgevoelige halfgeleiders, en vooral omdat vanwege technologische beperkingen of fabricagekosten veel halfgeleiders alleen in zeer kleine en dunne afmetingen in massa kunnen worden geproduceerd. Bovendien zijn laboratoriumtests van hun sterkte over het algemeen uitgevoerd op grote monsters. In het licht van de recente explosie van opkomende toepassingen op nanoschaal, suggereert dit alles dat er een dringende behoefte is aan herwaardering van de sterkte van halfgeleidermaterialen onder gecontroleerde verlichtingsomstandigheden en dunne steekproeven.

Daartoe hebben de groep van professor Atsutomo Nakamura aan de Universiteit van Nagoya, Japan, en de groep van dr.Xufei Fang aan de Technische Universiteit van Darmstadt een techniek ontwikkeld voor het kwantitatief bestuderen van het effect van licht op mechanische eigenschappen op nanoschaal van dunne wafels van halfgeleiders of andere kristallijne deeltjes. materiaal. Ze noemen het een ‘photoindentation’-methode. In wezen drukt een kleine, puntige sonde het materiaal in terwijl het onder gecontroleerde omstandigheden wordt verlicht door licht, en de diepte en snelheid waarmee de sonde het oppervlak inspringt, kan worden gemeten. De sonde creëert dislocaties – verschuivingen van kristalvlakken – nabij het oppervlak, en met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop observeren de onderzoekers het effect van licht bij een reeks golflengten op de nucleatie van dislocaties (de geboorte van nieuwe dislocaties) en dislocatiemobiliteit (het glijden van de dislocaties). of wegglijden van het punt waar ze zijn gemaakt). De kiemvorming en mobiliteit worden voor het eerst afzonderlijk gemeten en is een van de nieuwigheden van de foto-indentatietechniek.

De onderzoekers hebben ontdekt dat licht weliswaar een marginaal effect heeft op het ontstaan ​​van dislocaties onder mechanische belasting, maar een veel sterker effect heeft op de beweging van dislocaties. Wanneer er een ontwrichting optreedt, is het energetisch gunstig voor het uitzetten en samenvoegen (nucleëren) met anderen, en de imperfectie wordt groter. Verlichting door licht heeft hier geen invloed op: de elektronen en gaten die in de halfgeleider worden opgewekt door het licht (de foto-geëxciteerde dragers) hebben geen invloed op de spanningsenergie van de dislocatie, en het is deze energie die de ‘lijnspanning’ van de dislocatie die het kiemvormingsproces regelt.

Aan de andere kant kunnen dislocaties ook bewegen in een zogenaamde ‘glijbeweging’, waarbij foto-geëxciteerde dragers worden meegesleurd door dislocaties via elektrostatische interactie. Het effect van foto-geëxciteerde dragers op deze dislocatiebeweging is veel meer uitgesproken: als er voldoende dragers worden geproduceerd, wordt het materiaal veel sterker.

Dit effect wordt opvallend aangetoond wanneer hetzelfde experiment wordt uitgevoerd in volledige duisternis en vervolgens onder belichting met licht op een golflengte die overeenkomt met de halfgeleiderbandafstand (die een groter aantal foto-geëxciteerde dragers produceert). Wanneer het wordt ingesprongen, ondergaat elk vast materiaal aanvankelijk “plastische vervorming” – van vorm veranderen zonder terug te veren, een beetje zoals stopverf – totdat de belasting te groot wordt, waarop het barst. De onderzoeksgroep van Nagoya University toonde aan dat de anorganische halfgeleider zinksulfide (ZnS) zich in totale duisternis enigszins gedraagt ​​als stopverf en vervormt met een enorme 45% onder schuifspanning zonder te scheuren of uit elkaar te vallen. Wanneer het echter op de juiste golflengte wordt belicht, wordt het behoorlijk moeilijk. Bij andere golflengten wordt het niet zo moeilijk.

De nieuwe bevindingen tonen aan dat puur plastische vervorming zonder scheurvorming in halfgeleidermaterialen optreedt op nanoschaal. Qua mechanisch gedrag lijken deze halfgeleiders dus op metalen materialen. Dit nieuw opgezette, robuuste experimentele protocol maakt het mogelijk om het effect van licht op de sterkte van zelfs niet-halfgeleidende materialen die erg dun zijn, te evalueren. Professor Nakamura merkt op: “ Een bijzonder belangrijk aspect is dat niet-halfgeleiders halfgeleidende eigenschappen kunnen vertonen nabij het oppervlak, bijvoorbeeld door oxidatie, en aangezien het beginpunt van vervorming of breuk vaak het oppervlak is, is het van groot belang om vast te stellen een methode voor het nauwkeurig meten van de sterkte van materialen onder gecontroleerde verlichtingsomstandigheden aan het oppervlak, op nanoschaal. “

Het verhardende effect dat elektron-gatparen die door lichtbelichting worden vrijgemaakt, hebben op de materiële sterkte – door de voortplanting van dislocaties te onderdrukken, vooral aan de oppervlakte – maakt deel uit van een paradigmaverschuiving in de wetenschap van materiële sterkte. Conventioneel, als we de sterkte van een materiaal beschouwen, was de atomaire rangschikking de kleinste eenheid. Met andere woorden, er was een premisse dat de sterkte van het materiaal begrepen kon worden vanuit de atomaire rangschikking en elasticiteitstheorie. Recente studies hebben echter gemeld dat de sterkte-eigenschappen van materialen aanzienlijk veranderen als gevolg van externe invloeden zoals licht en een elektrisch veld. Daarom, merkt professor Nakamura op, “wordt het steeds meer geaccepteerd dat er andere gezichtspunten moeten worden toegevoegd aan de theorie van materiële sterkte, waaronder de beweging van elektronen en gaten die kleiner zijn dan atomen.”

“Deze studie bevestigt opnieuw het effect op kwantumniveau op de sterkte van dergelijke materialen. In dit opzicht kan worden gezegd dat dit onderzoek een mijlpaal heeft bereikt in de paradigmaverschuiving op het gebied van materiaalsterkte die momenteel plaatsvindt.”

Dr. Xufei Fang voegt eraan toe: “Nu de creatie van apparaten op de echte nanoschaal realiteit wordt, is de invloed van licht op de structurele sterkte van verschillende anorganische halfgeleiders een kwestie die in overweging moet worden genomen.”