Les cristaux semi-conducteurs inorganiques ont généralement tendance à se rompre de manière fragile. C'est le cas pour le sulfure de zinc (ZnS); Les cristaux de ZnS (A) présentent une fracture catastrophique après des tests mécaniques dans des environnements d'exposition à la lumière ordinaires (B). Cependant, nous avons découvert que les cristaux de ZnS peuvent être déformés plastiquement jusqu'à une déformation de déformation de t =45 % lorsqu'ils sont déformés le long de la direction [001] dans l'obscurité totale même à température ambiante (C). De plus, la bande interdite optique des cristaux de ZnS déformés a diminué de 0,6 eV après déformation. Crédit :Atsutomo Nakamura
Les semi-conducteurs inorganiques tels que le silicium sont indispensables dans l'électronique moderne car ils possèdent une conductivité électrique accordable entre celle d'un métal et celle d'un isolant. La conductivité électrique d'un semi-conducteur est contrôlée par sa bande interdite, qui est la différence d'énergie entre ses bandes de valence et de conduction ; une bande interdite étroite entraîne une conductivité accrue car il est plus facile pour un électron de passer de la bande de valence à la bande de conduction. Cependant, les semi-conducteurs inorganiques sont cassants, ce qui peut conduire à une défaillance de l'appareil et limite son domaine d'application, notamment en électronique flexible.
Un groupe de l'Université de Nagoya a récemment découvert qu'un semi-conducteur inorganique se comportait différemment dans l'obscurité par rapport à la lumière. Ils ont découvert que les cristaux de sulfure de zinc (ZnS), un semi-conducteur inorganique représentatif, étaient cassants lorsqu'ils étaient exposés à la lumière mais flexibles lorsqu'ils étaient conservés dans l'obscurité à température ambiante. Les résultats ont été publiés dans Science .
"L'influence de l'obscurité totale sur les propriétés mécaniques des semi-conducteurs inorganiques n'avait pas été étudiée auparavant, ", explique le co-auteur de l'étude, Atsutomo Nakamura. "Nous avons découvert que les cristaux de ZnS dans l'obscurité totale présentaient une plasticité beaucoup plus élevée que ceux exposés à la lumière."
Les cristaux de ZnS dans l'obscurité se sont déformés plastiquement sans fracture jusqu'à une déformation importante de 45%. L'équipe a attribué la plasticité accrue des cristaux de ZnS dans l'obscurité à la grande mobilité des dislocations dans l'obscurité totale. Les dislocations sont un type de défaut trouvé dans les cristaux et sont connues pour influencer les propriétés des cristaux. Sous exposition lumineuse, les cristaux de ZnS étaient cassants car leur mécanisme de déformation était différent de celui dans l'obscurité.
La déformation plastique des matériaux est provoquée par la nucléation et la multiplication des dislocations sous une force externe (A et B). On pense généralement que les matériaux semi-conducteurs inorganiques fragiles ont des difficultés à former des dislocations en raison de leurs fortes liaisons chimiques. Cependant, nous avons constaté qu'un grand nombre de dislocations sont générées et multipliées dans les cristaux de ZnS lors de la déformation dans l'obscurité (C), résultant en une plasticité extraordinaire. Crédit :Atsutomo Nakamura
La grande plasticité des cristaux de ZnS dans l'obscurité s'accompagnait d'une diminution considérable de la bande interdite des cristaux déformés. Ainsi, la bande interdite des cristaux de ZnS et à leur tour leur conductivité électrique peuvent être contrôlées par déformation mécanique dans l'obscurité. L'équipe a proposé que la diminution de la bande interdite des cristaux déformés était causée par une déformation introduisant des dislocations dans les cristaux, ce qui a changé la structure de leur groupe.
"Cette étude révèle la sensibilité des propriétés mécaniques des semi-conducteurs inorganiques à la lumière, ", a déclaré le co-auteur Katsuyuki Matsunaga. "Nos résultats pourraient permettre le développement d'une technologie permettant de fabriquer des cristaux grâce à une exposition contrôlée à la lumière."
Les résultats des chercheurs suggèrent que la force, fragilité, et la conductivité des semi-conducteurs inorganiques peut être régulée par exposition à la lumière, ouvrant une voie intéressante pour optimiser les performances des semi-conducteurs inorganiques en électronique.
