作者:苏黎世联邦理工学院奥利弗·莫什 电子显微镜下的几微米硅柱:这样的结构使材料更有弹性
信用:Laszlo peth/Empa 联邦理工学院和Empa的研究人员已经表明，微小的物体可以由硅制成，硅比以前想象的更容易变形，也更坚固
这样，智能手机中的传感器可以做得更小、更坚固
自从60年前发明场效应晶体管以来，它所基于的化学元素硅已经成为现代生活不可或缺的一部分
它开创了计算机时代，到目前为止，场效应晶体管已经成为历史上生产最多的器件
硅容易获得，价格便宜，具有理想的电性能，但也有一个重要的缺点:它非常脆，因此很容易断裂
当试图用硅制造微机电系统(如现代智能手机中的加速度传感器)时，这可能会成为一个问题
在苏黎世联邦理工学院，由纳米金属实验室高级科学家杰夫·惠勒领导的团队，与Empa材料力学和纳米结构实验室的同事一起，已经表明，在某些条件下，硅可以比以前想象的更强更易变形
他们的研究结果最近发表在科学杂志《自然通讯》上
十年努力 “这是10年努力的结果，”惠勒说，他在进入联邦理工学院之前是Empa的研究员
为了了解微小的硅结构如何变形，在SNF项目的框架内，他仔细观察了一种广泛使用的生产方法:聚焦离子束
这种带电粒子束可以非常有效地将所需形状研磨成硅晶片，但是这样做会留下表面损伤和缺陷形式的明显痕迹，这使得材料更容易断裂
惠勒和他的合作者有了尝试一种特殊类型的平版印刷术来替代离子束方法的想法
“首先，我们通过使用气体等离子体蚀刻掉硅表面区域的未掩蔽材料，来产生所需的结构——在我们的例子中是微小的柱子，”前博士陈明解释道
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惠勒小组的学生
在进一步的步骤中，首先氧化柱的表面，然后通过用强酸完全去除氧化层来清洁，其中一些柱的表面窄于100纳米
然后，陈用电子显微镜研究了不同宽度硅柱的强度和塑性变形能力，并比较了两种生产方法
为此，他将一个微小的金刚石冲头压入柱子，并在电子显微镜下研究它们的变形行为
坚固、可变形硅柱(链节)的生产工艺
首先通过抗蚀剂蚀刻柱子，然后氧化，最后清洗
在右边，可以看到最终结果(电子显微镜图像)
信用:苏黎世联邦理工学院 惊人的结果 结果令人震惊:用离子束研磨过的柱子在不到半微米的宽度上坍塌了
相比之下，光刻制作的柱只在宽度超过4微米时出现脆性断裂，而较薄的柱能够更好地承受应变
“这些光刻硅柱的变形尺寸比我们在离子束加工硅中看到的尺寸大十倍，具有相同的晶体取向，强度加倍！”惠勒总结他的实验结果说
平版印刷制作的柱子的强度甚至达到了理论上对理想晶体的期望值
惠勒说，这里的不同之处在于柱子表面的绝对纯度，这是通过最后的清洁步骤实现的
这将导致产生断裂的表面缺陷的数量大大减少
在美国联邦理工学院显微镜中心的研究员阿拉·索洛古本科的帮助下，这种额外的变形能力也使研究小组能够观察到较小尺寸时变形机制的显著变化
这揭示了硅如何变形的新细节
智能手机中的应用 惠勒说，联邦理工学院研究人员获得的结果可能会对硅微机电系统的制造产生直接影响:“这样，智能手机中用于检测设备旋转的陀螺仪就可以做得更小、更鲁棒
" 这应该不难实现，因为工业已经在使用蚀刻和清洁相结合的方法，惠勒和他的同事对此进行了研究
研究人员认为，这种方法也可以应用于其他晶体结构类似于硅的材料
此外，更具弹性的硅也可用于进一步改善材料的电性能，以用于某些应用
通过对半导体施加大的应变，可以增加其电子的迁移率，例如，这可以导致更短的开关时间
到目前为止，人们必须生产纳米线来实现这一点，但现在这可以直接使用集成到半导体芯片中的结构来实现
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