Cómo diseñar sistemas nano- y micro-electro-mecánicos más fiables
Los científicos analizan el comportamiento de deformación del silicio en los dispositivos nano/micro
Los teléfonos móviles, el almacenamiento de datos para ordenadores portátiles, las células solares, la electrónica de potencia para la energía renovable o los sensores en los automóviles son aplicaciones en las que el silicio es el material de primera elección, a pesar de que su comportamiento mecánico a temperatura elevada todavía no se comprende del todo. Para diseñar dispositivos miniaturizados eficientes y fiables que funcionen de forma segura y con durabilidad a temperaturas superiores a la temperatura ambiente, resulta crucial comprender los mecanismos de deformación del silicio. Científicos de la Universidad de Illinois (EE.UU.) y del Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), Alemania, presentan los conocimientos de sofisticados experimentos mecánicos a pequeña escala que explican la inesperada deformación plástica del silicio a nanoescala.
Imagen de microscopía electrónica de transmisión de un pequeño rayo de silicio que se dobla donde las dislocaciones (líneas oscuras) se hacen visibles y se amplía la disposición atómica de las imperfecciones.
© Tristan Harzer, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Mientras que el silicio en bruto es frágil a temperatura ambiente, se vuelve dúctil a temperaturas de unos 540°C y comienza a deformarse fácilmente a unos 800°C. El comportamiento mecánico del silicio en dispositivos micro y nanoescalares, tal como se utiliza en la industria electrónica y de sensores, es bastante diferente. "En los dispositivos a pequeña escala el silicio se arrastra a temperaturas mucho más bajas, de unos 400°C, dependiendo del nivel de estrés que experimente", explica el Dr. Mohamed Elhebeary, anteriormente investigador doctoral en la Universidad de Illinois y ahora en Intel Corporation. Los científicos hicieron experimentos de curvatura in situ dentro de un microscopio electrónico de barrido a 400°C, utilizando microhaces de silicio. Esos microhaces a menudo se incluyen como resortes en los sensores electromecánicos. "Para poder hacer este tipo de experimentos, desarrollamos en los últimos años un nuevo sistema de pruebas termomecánicas in situ laboratorio-en-chip. Así es como medimos con precisión los cambios en la deformación y la carga con el tiempo", afirma el Prof. Taher Saif, profesor de la Universidad de Illinois. El pequeño tamaño de las vigas de silicio y la tensión lograda a través de la flexión, dan como resultado un alto nivel de tensión cerca de la superficie de la viga. Los estudios de microscopía electrónica de transmisión hasta el nivel atómico fueron realizados en el MPIE en el departamento "Estructura y Nano/Micromecánica de los Materiales" por el Dr. Tristan Harzer, anteriormente investigador doctoral en el MPIE y ahora en JEOL Alemania. Estos estudios revelaron que la nucleación de las dislocaciones media la inesperada deformación plástica de los haces de silicio. De esta manera, las dislocaciones comienzan a nuclearse desde las superficies en los lugares que experimentan el mayor nivel de tensión mientras se doblan, y se desplazan hacia la masa. "¿Qué sucede cuando se alcanza un nivel de tensión umbral? Hemos demostrado que a un cierto nivel de estrés aparecen múltiples sitios de nucleación de dislocaciones. Con el tiempo, a medida que las dislocaciones se extienden en la masa, se produce una deformación irreversible hasta que el nivel de tensión se vuelve demasiado pequeño para mover las dislocaciones más lejos", afirma el Prof. Gerhard Dehm, director del MPIE.
Los científicos demostraron que el silicio utilizado en la nanoelectrónica se deforma a temperaturas mucho más bajas de lo esperado. Estos resultados son importantes para diseñar nanodispositivos de silicio fiables que funcionen a altas temperaturas y bajo tensión.
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Publicación original
M. Elhebeary, T. Harzer, G. Dehm, T. Saif; "Time dependent plasticity in silicon microbeams mediated by dislocation nucleation"; PNAS, 29. Juni 2020
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