Un pilier en silicium d'un diamètre de 310 nanomètres a) avant chargement et b) après déformation. La colonne a cédé à la force appliquée et a subi une déformation plastique.
(PhysOrg.com) -- Silicium, le matériau semi-conducteur le plus important de tous, est généralement considéré comme aussi fragile et cassable que le verre à vitre. A l'échelle nanométrique, cependant, la substance présente des propriétés très différentes, comme l'ont montré des chercheurs suisses de l'Empa en créant de minuscules piliers de silicium. Si les diamètres des colonnes sont suffisamment petits, alors sous charge ils ne se cassent pas simplement, comme le feraient de gros morceaux de silicium, mais ils cèdent à la pression et subissent une déformation plastique, comme le ferait un métal. Cette découverte ouvre la voie à des techniques de conception totalement nouvelles du point de vue des matériaux pour les microsystèmes mécaniques et dans l'industrie horlogère.
Le fondateur de l'Empa lui-même, Ludwig von Tetmajer, a étudié le chargement mécanique des colonnes à son époque. Au lendemain de l'effondrement d'un pont ferroviaire à Muenchenstein, ses expériences en laboratoire ont montré que la formule de flexion d'Euler n'est pas toujours valable pour les tiges minces et doit être corrigée. "Nous faisons essentiellement la même chose 127 ans plus tard à l'échelle nanométrique, et apprennent des choses surprenantes - au lieu de nanocolonnes de silicium fragiles qui se cassent lorsqu'elles sont chargées, nous voyons comment ils subissent une déformation plastique comme le beurre, " explique Johann Michler, Responsable du laboratoire « Mécanique des matériaux et nanostructures » de l'Empa à Thoune.
Le silicium - le matériau le plus important dans l'industrie des semi-conducteurs
Le silicium est la matière première la plus couramment utilisée dans les industries des semi-conducteurs et du photovoltaïque. Il sert également de matériau de construction de base pour les composants électroniques (comme les processeurs informatiques) et dans de nombreux capteurs et systèmes micromécaniques, comme le bras en porte-à-faux dans un microscope à balayage à force. En outre, plus de 90 pour cent des cellules solaires conventionnelles sont en silicium.
Mais la matière a ses limites, car le silicium est un élément fragile - une plaquette de silicium (le disque mince de silicium et d'autres additifs qui forme le substrat pour les applications mentionnées ci-dessus) se brise en mille éclats sous la moindre charge, comme une feuille de verre. Michler et ses collègues ont maintenant montré que cette propriété change à l'échelle nanométrique. Pour démontrer ce physicien Fredrik Oestlund a traité une plaque de silicium à l'aide d'un FIB, un instrument à faisceau d'ions focalisé utilisé pour l'analyse et la préparation des surfaces. À l'aide d'un faisceau d'ions gallium, il a retiré de la plaque des zones de matériau en forme d'anneau, couche par couche, ne laissant que de minuscules piliers de silicium debout. Les diamètres des piliers variaient entre 230 et 940 nanomètres.
Charger des expériences avec un nanoindenteur
"Nos tests de flexion des piliers sont en principe les mêmes que les expériences de Tetmajer, seuls nos piliers sont environ cent mille fois plus petits, " dit Michler. Pour appliquer une force aux colonnes, les scientifiques ont utilisé un outil de précision micro et nano appelé nanoindenteur, où la pointe aplatie d'un outil diamanté en forme de pyramide, monté dans un microscope électronique à balayage, appuie le long de l'axe longitudinal d'une colonne de silicium. La force exercée par la pointe est mesurée en continu. Les piliers "plus gros" ont développé des fissures lorsqu'ils ont été chargés et se sont brisés en petits morceaux, montrant le comportement typiquement cassant du silicium.
Cependant, lorsque les colonnes avaient des diamètres inférieurs à 400 nanomètres, aucune fissure ne s'est développée et les structures ont commencé à subir une déformation plastique. La raison en réside dans la structure interne du silicium - ses propriétés matérielles ne sont pas déterminées par l'arrangement parfait des atomes mais par les défauts de l'arrangement. Si les dimensions de la colonne sont inférieures à la distance moyenne entre les défauts de la structure atomique du matériau, alors les colonnes peuvent facilement se déformer. Oestlund et Michler, avec leurs partenaires de recherche des universités d'Uppsala et du Minnesota, a récemment publié ces résultats dans Matériaux fonctionnels avancés , une revue scientifique internationale respectée.
Un pilier de silicium d'un diamètre de 940 nanomètres 940 après le test de compression. Les piliers d'un diamètre supérieur à 400 nanomètres développent des fissures lorsqu'ils sont chargés.
Silicium aux propriétés métalliques
"Nos résultats montrent qu'il pourrait être possible d'utiliser le silicium comme un métal dans des applications mécaniques, si les dimensions de la structure en silicium sont suffisamment petites, " spécule Michler. Les matériaux métalliques sont tolérants aux pannes et sont capables d'absorber les charges de choc en se déformant sans se casser, par exemple. La construction de composants mécaniques utilisant des matériaux cassants est également difficile, car ils ont tendance à échouer lorsque la contrainte à proximité d'un défaut devient excessive. Et comme l'emplacement précis et la taille des défauts critiques sont pratiquement toujours inconnus, la charge critique ne peut presque jamais être calculée exactement. Ce calcul est beaucoup plus simple avec un matériau métallique, qui se déformera simplement sous une charge bien définie. Cette nouvelle propriété de déformation plastique « bien éduquée » du silicium ouvre de nouvelles opportunités pour l'industrie horlogère et la fabrication de semi-conducteurs en termes de conception de micro et nanosystèmes mécaniques.
Plus d'information: Oestlund, F., Rzepiejewska-Malyska, K., Michler, J. et al. :Transition fragile à ductile dans la compression uniaxiale de piliers de silicium à température ambiante, Av. Fonction. Question. 2009, 19, 2439-2444 ; DOI :10.1002/adfm.200900418
Fourni par l'EMPA
