Rimpelingen op nanoschaal bieden sleutel om dunne materiaaleigenschappen in elektronica te ontgrendelen

Wanneer materialen op een nanometerschaal worden gemaakt – slechts een handvol atomen dik – kan zelfs de thermische energie die aanwezig is bij kamertemperatuur structurele rimpelingen veroorzaken. Hoe deze rimpelingen de mechanische eigenschappen van deze dunne materialen beïnvloeden, kunnen hun gebruik in elektronica en andere sleutelsystemen beperken.

Nieuw onderzoek valideert theoretische modellen over hoe elasticiteit schaalafhankelijk is-met andere woorden, de elastische eigenschappen van een materiaal zijn niet constant, maar variëren met de grootte van het stuk materiaal.

Universitair docent Jian Zhou, Ph.D. ’18, samengewerkt met onderzoekers van Argonne National Laboratory, Harvard University, Princeton University en Penn State University voor een recent gepubliceerde papier in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

Met behulp van een halfgeleiderproductieproces creëerde het team aluminiumoxide-structuren 28 nanometer dik (meer dan 1000 keer dunner dan de diameter van een menselijk haar) op de siliciumwafer met thermische statische rimpelingen en testte ze vervolgens met lasers om hun gedrag te meten. Om mogelijke spanning te verwijderen voor het materiaal dat de resultaten zou kunnen beïnvloeden, hielden cantilevers de wafels vast tijdens het testen.

De resultaten gekoppeld aan theorieën voorgesteld door de onderzoeksgroep onder leiding van de bekende Harvard -professor David R. Nelson, een van de bijdragers aan deze nieuwe studie.

“Dit is de eerste keer dat we precies kunnen karakteriseren wat het rimpeleffect heeft op dunne film,” zei Zhou, een faculteitslid aan het Thomas J. Watson College of Engineering en Applied Science’s Department of Mechanical Engineering.

Het kennen van de effecten van rimpelingen is belangrijk omdat micro -elektronica, micromechanische apparaten, microscopische robots en andere apparaten kunnen worden gefabriceerd uit dunne films, wat leidt tot innovaties in geneeskunde, computergebruik en andere technologieën.

In een luchtig moment gebruikten Zhou en zijn medewerkers de kennis die ze hebben opgedaan om het materiaal in nanoscopische bloemen te buigen.

“Als we eenmaal meer weten over de mechanische eigenschappen, kunnen we betere structuren zoals micro-robotica creëren met precieze controle over de geometrieën die we willen,” zei hij. “Ik kan bijvoorbeeld realtime gecontroleerde actuaties introduceren waarbij het aanvankelijk één vorm is, en wanneer we wat excitatie toepassen, kan het iets anders zijn-zoals een transformator.”