(Wiadomości z Nanwerku) międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez profesora Yu Zhou (MSE) wykorzystuje pola elektryczne do kontrolowania ruchu defektów materiałowych. Ta praca ma ważne implikacje dla poprawy właściwości i procesów wytwarzania zazwyczaj kruchych kryształów jonowych i kowalencyjnych, w tym półprzewodników – materiału krystalicznego, który jest centralnym składnikiem chipów elektronicznych stosowanych w komputerach i innych nowoczesnych urządzeniach.
W badaniu opublikowanym w materiały natury (Wykorzystanie ruchu dyslokacji za pomocą pola elektrycznego), naukowcy z U of T Engineering, Dalhousie University, Iowa State University i Peking University, obserwacje w czasie rzeczywistym ruchu dyslokacji w monokrystalicznym siarczku cynku kontrolowanym za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego.
„Badania te otwierają możliwość regulowania właściwości związanych z dyslokacją, takich jak właściwości mechaniczne, elektryczne, termiczne i przejścia fazowego, poprzez zastosowanie pola elektrycznego, a nie metod konwencjonalnych”, mówi Mingqiang Li (kandydat MSE), pierwszy autor nowej pracy.
W materiałoznawstwie dyslokacja to liniowy defekt kryształu w strukturze kryształu, który zawiera nagłą zmianę układu atomów.
Jest to najważniejsza wada materiałów krystalicznych, mówi Zou, ponieważ może wpływać na wytrzymałość, plastyczność, wytrzymałość oraz przewodność cieplną i elektryczną materiałów krystalicznych, takich jak stal stosowana w samolotach i krzem stosowany w chipach.
W krystalicznych ciałach stałych dobrą plastyczność i odkształcalność uzyskuje się na ogół dzięki ruchliwości dyslokacji. W związku z tym metale z wysoce ruchomymi dyslokacjami można odkształcać w gotowe produkty poprzez prasowanie, rozciąganie, walcowanie i kucie – na przykład puszki aluminiowe są dziurkowane w celu nadania kształtu.
Z kolei kryształy jonowe i kowalencyjne generalnie mają słabą ruchliwość dyslokacji, co czyni je zbyt kruchymi, aby można je było przetwarzać metodami mechanicznymi, w wyniku czego nie nadają się do szerokiego zakresu technik wytwarzania. W przypadku półprzewodników są one zwykle zbyt kruche, aby można je było walcować i kuć.
„Główna siła napędowa ruchu dyslokacji była ogólnie ograniczona do naprężeń mechanicznych, które ograniczają metody przetwarzania i zastosowania inżynieryjne dla wielu kruchych materiałów krystalicznych” – mówi Zhou.
Nasze badanie dostarcza bezpośrednich dowodów na dynamikę dyslokacji kontrolowaną przez bodziec niemechaniczny, co było kwestią otwartą od lat 60. XX wieku. Wykluczamy również inne wpływy na ruchliwość dyslokacji, w tym ogrzewanie dżulowe, siłę wiatru elektronów i napromieniowanie wiązką elektronów”.
W badaniu wykorzystano transmisyjną mikroskopię elektronową in situ do obserwacji ruchu dyslokacji w siarczku cynku, który był napędzany wyłącznie przyłożonym polem elektrycznym przy braku obciążenia mechanicznego. Oba zaburzenia przenoszące ładunki ujemne lub dodatnie były wyzwalane przez pole elektryczne.
Naukowcy zaobserwowali, że turbulencje poruszają się tam iz powrotem, gdy pole elektryczne zmienia kierunek. Odkryli również, że ruch dyslokacji w polu elektrycznym zależy również od rodzaju dyslokacji.
Ponieważ większość półprzewodników jest krucha ze względu na ich słabą ruchliwość dyslokacji, w tym nowym badaniu można zastosować ruch dyslokacji sterowany polem elektrycznym, aby zwiększyć ich niezawodność mechaniczną i plastyczność, mówi Li.
Dodaje: „Ponadto nasza praca przedstawia alternatywną metodę zmniejszania gęstości defektów w półprzewodnikach, izolatorach i starszych urządzeniach, która nie wymaga konwencjonalnego hartowania, wyżarzania termicznego, które wykorzystuje temperaturę w czasie w celu zmniejszenia defektów materiałowych”.
Chociaż te wstępne badania koncentrowały się na siarczku cynku, zespół planuje zbadać szeroką gamę materiałów, od kryształów kowalencyjnych po kryształy jonowe.
„Pracując nad zastosowaniem tej technologii, naszym celem jest współpraca z branżami materiałowymi i pochodnymi, zwłaszcza z firmami zajmującymi się półprzewodnikami, w celu opracowania nowego procesu produkcyjnego w celu zmniejszenia gęstości defektów oraz poprawy właściwości i wydajności półprzewodników”, mówi Zhou.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
