El silicio sorprendentemente fuerte y deformable
La fuerza de los pilares de silicio producidos litográficamente incluso alcanzó valores que sólo se esperaban en teoría
Los investigadores de ETH y Empa han demostrado que se pueden hacer objetos diminutos de silicio que son mucho más deformables y fuertes de lo que se pensaba. De esta manera, los sensores de los teléfonos inteligentes podrían hacerse más pequeños y más robustos.
Unas columnas de silicio de unos pocos micrómetros bajo el microscopio electrónico: Tales estructuras hacen que el material sea más elástico.
Laszlo Pethö / Empa
Desde la invención del transistor MOSFET hace sesenta años, el elemento químico silicio en el que se basa se ha convertido en una parte integral de la vida moderna. Ha marcado el comienzo de la era de la informática, y ahora el MOSFET se ha convertido en el dispositivo más producido de la historia. El silicio es fácil de conseguir, barato y tiene propiedades eléctricas ideales, pero también un importante inconveniente: es muy frágil y, por lo tanto, se rompe fácilmente. Esto puede convertirse en un problema cuando se intenta hacer sistemas microelectro-mecánicos (MEMS) a partir del silicio, como los sensores de aceleración de los modernos teléfonos inteligentes.
En el ETH de Zurich, un equipo dirigido por Jeff Wheeler, científico principal del Laboratorio de Nanometalurgia, junto con sus colegas del Laboratorio de Mecánica de Materiales y Nanoestructuras de Empa, ha demostrado que, bajo ciertas condiciones, el silicio puede ser mucho más fuerte y deformable de lo que se pensaba anteriormente.
Un esfuerzo de diez años
"Este es el resultado de un esfuerzo de diez años", dice Wheeler, que trabajó como investigador en Empa antes de su carrera en la ETH. Para entender cómo las diminutas estructuras de silicio pueden deformarse, en el marco de un proyecto de SNF, examinó más de cerca un método de producción muy utilizado: el rayo de iones enfocados. Este haz de partículas cargadas puede moler las formas deseadas en una oblea de silicio de manera muy eficaz, pero al hacerlo deja huellas claras en forma de daños y defectos superficiales, que hacen que el material se rompa más fácilmente.
Litografía con limpieza final
Wheeler y sus colaboradores tuvieron la idea de probar un tipo particular de litografía como alternativa al método de haz de iones. "En primer lugar, producimos las estructuras deseadas -pequeños pilares en nuestro caso- mediante el grabado de material sin enmascarar de las zonas de la superficie de silicio utilizando un plasma de gas", explica Ming Chen, un antiguo estudiante de doctorado del grupo de Wheeler. En un paso más, la superficie de los pilares, algunos de los cuales son más estrechos que cien nanómetros, se oxidan primero y luego se limpian eliminando completamente la capa de óxido con un ácido fuerte.
Chen estudió entonces la resistencia y la deformabilidad plástica de los pilares de silicio de diferentes anchos con un microscopio electrónico y comparó los dos métodos de producción. Para ello, presionó un pequeño punzón de diamante en los pilares y estudió su comportamiento de deformación en el microscopio electrónico.
Resultados sorprendentes
Los resultados fueron sorprendentes: los pilares que habían sido fresados con un rayo de iones colapsaron a una anchura de menos de medio micrómetro. En cambio, los pilares producidos por la litografía sólo sufrieron fracturas frágiles a anchuras superiores a cuatro micrómetros, mientras que los pilares más delgados pudieron soportar la tensión mucho mejor. "Estos pilares de silicio litográfico pueden deformarse a tamaños diez veces mayores que los que hemos visto en el silicio mecanizado por haz de iones con la misma orientación de los cristales, con el doble de fuerza", Wheeler resume los resultados de sus experimentos.
La fuerza de los pilares producidos litográficamente incluso alcanzó valores que sólo se esperaban en teoría, para cristales ideales. Lo que marca la diferencia aquí, dice Wheeler, es la absoluta pureza de las superficies de los pilares, que se logra con el paso final de limpieza. Esto da como resultado un número mucho menor de defectos en la superficie de los cuales podría originarse una fractura. Con la ayuda de Alla Sologubenko, un investigador del centro de microscopía ScopeM en el ETH, esta deformabilidad adicional también permitió al equipo observar un sorprendente cambio en los mecanismos de deformación en tamaños más pequeños. Esto reveló nuevos detalles sobre cómo el silicio puede deformarse.
Aplicaciones en los teléfonos inteligentes
Los resultados obtenidos por los investigadores del ETH podrían tener un impacto inmediato en la fabricación de MEMS de silicio, dice Wheeler: "De esta manera, los giroscopios utilizados en los teléfonos inteligentes, que detectan las rotaciones del dispositivo, podrían hacerse aún más pequeños y más robustos". Eso no debería ser demasiado difícil de realizar, dado que la industria ya está utilizando la combinación de grabado y limpieza que Wheeler y sus colegas investigaron. El método también podría aplicarse a otros materiales que tienen estructuras cristalinas similares a las del silicio, según creen los investigadores. Además, también podría utilizarse silicio más elástico para mejorar aún más las propiedades eléctricas del material para ciertas aplicaciones. Aplicando una gran tensión del semiconductor se puede aumentar la movilidad de sus electrones, lo que puede conducir, por ejemplo, a tiempos de conmutación más cortos. Hasta ahora, había que producir nanoalambres para lograr eso, pero ahora esto podría hacerse directamente utilizando estructuras integradas en un chip semiconductor.
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