Les matériaux semi-conducteurs jouent un rôle indispensable dans notre société moderne axée sur l'information. Pour des performances fiables des dispositifs à semi-conducteurs, ces matériaux doivent avoir des propriétés mécaniques supérieures :ils doivent être solides et résistants à la rupture, en dépit d'être riche en structures à l'échelle nanométrique.

Récemment, il est devenu de plus en plus clair que l'environnement optique affecte la résistance structurelle des matériaux semi-conducteurs. L'effet peut être beaucoup plus important que prévu, en particulier dans les semi-conducteurs photosensibles, et d'autant plus qu'en raison de contraintes technologiques ou de coût de fabrication, de nombreux semi-conducteurs ne peuvent être produits en série que dans des tailles très petites et minces. De plus, les tests en laboratoire de leur résistance ont généralement été effectués sur de grands échantillons. À la lumière de l'explosion récente des applications émergentes à l'échelle nanométrique, tout cela suggère qu'il existe un besoin urgent de réévaluer la résistance des matériaux semi-conducteurs dans des conditions d'éclairage contrôlées et des tailles d'échantillon minces.

À cette fin, Le groupe du professeur Atsutomo Nakamura à l'Université de Nagoya, Japon, et le groupe du Dr Xufei Fang à l'Université technique de Darmstadt ont développé une technique pour étudier quantitativement l'effet de la lumière sur les propriétés mécaniques à l'échelle nanométrique de fines tranches de semi-conducteurs ou de tout autre matériau cristallin. Ils appellent cela une méthode de « photoindentation ». Essentiellement, un petit, la sonde pointue indente le matériau pendant qu'il est éclairé par la lumière dans des conditions contrôlées, et la profondeur et la vitesse à laquelle la sonde indente la surface peuvent être mesurées. La sonde crée des dislocations - des glissements de plans cristallins - près de la surface, et à l'aide d'un microscope électronique à transmission, les chercheurs observent l'effet de la lumière à une gamme de longueurs d'onde sur la nucléation des dislocations (la naissance de nouvelles dislocations) et la mobilité des dislocations (les dislocations glissant ou glissant loin du point où elles ont été créées). La nucléation et la mobilité sont mesurées séparément pour la première fois et c'est l'une des nouveautés de la technique de photoindentation.

Les chercheurs ont découvert que si la lumière a un effet marginal sur la génération de dislocations sous charge mécanique, il a un effet beaucoup plus fort sur le mouvement des luxations. Lorsqu'une luxation se produit, il est énergétiquement favorable à son expansion et à sa jonction (nucléation) avec d'autres, et l'imperfection s'agrandit. L'éclairage par la lumière n'affecte pas cela :les électrons et les trous excités dans le semi-conducteur par la lumière (les porteurs photo-excités) n'affectent pas l'énergie de déformation de la dislocation, et c'est cette énergie qui détermine la « tension de ligne » de la dislocation qui contrôle le processus de nucléation.

D'autre part, les luxations peuvent également se déplacer dans ce que l'on appelle un « mouvement de glissement », au cours de laquelle les porteurs photo-excités sont entraînés par des dislocations via une interaction électrostatique. L'effet des porteurs photo-excités sur ce mouvement de dislocation est beaucoup plus prononcé :si suffisamment de porteurs sont produits, le matériau devient beaucoup plus résistant.

Cet effet est démontré de manière frappante lorsque la même expérience est réalisée dans l'obscurité totale, puis sous un éclairage avec une lumière à une longueur d'onde qui correspond à la bande interdite des semi-conducteurs (qui produit un nombre accru de porteurs photo-excités). Lorsqu'il est en retrait, tout matériau solide subit initialement une "déformation plastique" - changeant de forme sans rebondir, un peu comme du mastic - jusqu'à ce que la charge devienne trop importante, sur laquelle il craque. Le groupe de recherche de l'Université de Nagoya a démontré que le sulfure de zinc semi-conducteur inorganique (ZnS) dans l'obscurité totale se comporte un peu comme du mastic, déformant par un énorme 45% sous contrainte de cisaillement sans se fissurer ou se désagréger. Cependant, lorsqu'il est éclairé à la bonne longueur d'onde, ça devient assez dur. À d'autres longueurs d'onde, cela devient moins difficile.

Les nouvelles découvertes démontrent qu'une déformation purement plastique sans formation de fissures dans les matériaux semi-conducteurs se produit à l'échelle nanométrique. En ce qui concerne le comportement mécanique, ces semi-conducteurs ressemblent donc à des matériaux métalliques. Cette nouvellement créée, Un protocole expérimental robuste permet d'évaluer l'effet de la lumière sur la résistance des matériaux même non semi-conducteurs qui sont très minces. Le professeur Nakamura note :« Un aspect particulièrement important est que les non-semi-conducteurs peuvent présenter des propriétés semi-conductrices près de la surface, à cause de l'oxydation, par exemple, et puisque le point de départ de la déformation ou de la rupture est souvent la surface, il est d'une grande importance d'établir une méthode pour mesurer avec précision la résistance des matériaux dans des conditions d'éclairage contrôlées à la surface même, à l'échelle nanométrique."

L'effet de durcissement que les paires électron-trou libérées par l'éclairage lumineux ont sur la résistance du matériau en supprimant la propagation des dislocations, particulièrement près de la surface - fait partie d'un changement de paradigme dans la science de la résistance des matériaux. Classiquement, lorsque l'on considère la résistance d'un matériau, l'arrangement atomique était la plus petite unité. En d'autres termes, il y avait une prémisse que la résistance du matériau pouvait être comprise à partir de la théorie de l'arrangement atomique et de l'élasticité. Cependant, des études récentes ont rapporté que les caractéristiques de résistance des matériaux changent de manière significative en raison d'influences externes telles que la lumière et un champ électrique. Par conséquent, Le professeur Nakamura note, "il est de plus en plus admis que d'autres points de vue doivent être ajoutés à la théorie de la force matérielle, notamment le mouvement des électrons et des trous plus petits que les atomes."

"Cette étude réaffirme l'effet au niveau quantique sur la résistance de tels matériaux. À cet égard, on peut dire que cette recherche a franchi une étape importante dans le changement de paradigme dans le domaine de la résistance des matériaux qui se produit actuellement. »

Le Dr Xufei Fang ajoute : « Maintenant que la création d'appareils à l'échelle nanométrique devient une réalité, l'impact de la lumière sur la résistance structurelle de divers semi-conducteurs inorganiques est un problème à considérer."