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La luz en armonía con la fuerza revela cómo los materiales se vuelven más rígidos cuando se iluminan

Ilustración esquemática de cómo la luz afecta la nucleación (nacimiento) de perturbaciones (deslizamiento de planos cristalinos) y el movimiento de dislocación, cuando la muestra también se coloca bajo carga mecánica. La colaboración de investigación entre la Universidad de Nagoya y la Universidad Técnica de Darmstadt encontró pruebas claras de que la luz suprime la propagación de perturbaciones en los semiconductores. La causa probable es la interacción entre perturbaciones, electrones y huecos excitados por la luz. Crédito: Atsutomo Nakamura

Los materiales semiconductores juegan un papel indispensable en nuestra sociedad moderna orientada a la información. Para obtener un rendimiento confiable para los dispositivos semiconductores, estos materiales deben tener propiedades mecánicas superiores: deben ser fuertes y resistentes a la fractura, a pesar de ser ricos en nanoestructuras.


En los últimos tiempos, se ha hecho cada vez más evidente que el entorno visual influye en la estructura Energía Desde Semiconductores Materiales. El efecto podría ser mucho mayor de lo esperado, especialmente en TempladoLos semiconductores sensibles, especialmente debido a limitaciones tecnológicas o costos de fabricación, muchos semiconductores solo pueden producirse en masa en volúmenes pequeños y muy delgados. Además, las pruebas de laboratorio para determinar su resistencia se realizaron generalmente en muestras grandes. A la luz de la reciente explosión de aplicaciones emergentes a nanoescala, todo esto indica que existe una necesidad urgente de reevaluar la resistencia de los materiales semiconductores en condiciones de iluminación controlada y tamaños de muestra delgados.

Con este fin, el equipo del profesor Atsutomo Nakamura de la Universidad de Nagoya, Japón y el grupo del Dr. Zofi Fang de la Universidad Técnica de Darmstadt han desarrollado una técnica para el estudio cuantitativo del efecto de la luz sobre las propiedades nanomecánicas de la chips semiconductores o cualquier otro cristalino. Material. Lo llaman el método de “retardo óptico”. Esencialmente, una pequeña sonda ahusada tiene importancia cuando se ilumina con luz en condiciones controladas, y se puede medir la profundidad y la velocidad a la que la sonda cruza la superficie. La sonda crea turbulencias (deslizamientos de niveles de cristal) cerca de la superficie y con una Microscopio electrónico de transmisión Los investigadores observaron el efecto de la luz en un rango de longitudes de onda sobre la dislocación del núcleo (el nacimiento de nuevas perturbaciones) y el movimiento de dislocación (deslizándose o alejándose del punto en el que se creó). La nucleación y la movilidad se miden por separado por primera vez y es una novedad en la tecnología de distancia óptica.

Los investigadores descubrieron que, si bien la luz tiene un efecto marginal sobre la generación de turbulencias bajo carga mecánica, tiene un efecto mucho más fuerte sobre el movimiento de las turbulencias. Cuando ocurre una dislocación, se prefiere fuertemente que se expanda y se una (pretendo) con otras, y la deficiencia aumenta. La iluminación con luz no afecta esto: los electrones y huecos que la luz excita en los semiconductores (los portadores excitados en las imágenes) no afectan la energía de la tensión de dislocación, y es esta energía la que determina la “tensión lineal” de la luz. . La dislocación que controla el proceso de nucleación.

Por otro lado, la turbulencia también puede moverse en un llamado “movimiento de deslizamiento”, en el que los portadores fotoexcitados son arrastrados por perturbaciones a través de una interacción electrostática. El efecto de los portadores fotoexcitados sobre este movimiento de dislocación es más pronunciado: si se produce un número suficiente de portadores, el material se vuelve mucho más resistente.

Este efecto es sorprendente cuando el mismo experimento se realiza en completa oscuridad y luego bajo iluminación con luz con una longitud de onda que coincide con la banda prohibida del semiconductor (que produce un número creciente de portadores de imagen). Cuando se sangra, cualquier sólido sufre inicialmente una “deformación plástica” – cambia de forma sin volverse hacia atrás, como una masilla – hasta que la carga es demasiado grande y se agrieta. El grupo de investigación de la Universidad de Nagoya demostró que el sulfuro de zinc inorgánico (ZnS) en completa oscuridad se comporta como una pasta, deformándose en un 45% bajo esfuerzo cortante sin agrietarse ni colapsarse. Sin embargo, cuando brilla en la longitud de onda correcta, se vuelve muy difícil. En otras longitudes de onda, no se vuelve tan difícil.

Los nuevos resultados prueban puramente esto Deformación plastica Sin formar una grieta en Materiales semiconductores Ocurre a nanoescala. En términos de comportamiento mecánico, estos semiconductores son similares a los materiales metálicos. Este robusto protocolo experimental recién creado hace posible evaluar el efecto de la luz en la resistencia de incluso materiales semiconductores muy delgados. El profesor Nakamura señala: “Un aspecto particularmente importante es que los no semiconductores pueden exhibir propiedades semiconductoras cerca de la superficie, debido a la oxidación, por ejemplo, y dado que el punto de partida para la deformación o fractura a menudo es la superficie, es crucial establecer un método para medir la resistencia del material con precisión bajo condiciones de luz controladas en la misma superficie, a nanoescala.

El efecto de la rigidez que los pares de electrones y agujeros liberan por la iluminación óptica sobre la resistencia de un material, al suprimir la propagación de perturbaciones, especialmente cerca de la superficie, es parte de un cambio de paradigma en la ciencia de la fuerza de la materia. Tradicionalmente, cuando se mira la fuerza de una sustancia, la disposición atómica era la unidad más pequeña. En otras palabras, se suponía que la fuerza de la materia podía entenderse a partir de la disposición atómica y la teoría de la elasticidad. Sin embargo, estudios recientes han informado que las propiedades de resistencia de los materiales cambian en gran medida debido a influencias externas como la luz y el campo eléctrico. Por lo tanto, señala el profesor Nakamura, “se acepta cada vez más que se deben agregar otras perspectivas a la teoría de la fuerza de la materia, que incluye el movimiento de electrones y huecos más pequeños que los átomos”.

“Este estudio reafirma el efecto del nivel cuantitativo sobre la resistencia de dichos materiales. En este sentido, se puede decir que esta investigación ha logrado un hito en el cambio de paradigma en el campo de la resistencia de los materiales que se está produciendo actualmente”.

El Dr. Xufei Fang agrega: “Ahora que la construcción de dispositivos en la verdadera nanoescala es una realidad, el efecto de la luz sobre la resistencia estructural de varios semiconductores inorgánicos es un tema que debe tenerse en cuenta”.


Evitación de la iluminación: un material con un rendimiento mecánico mejorado en la oscuridad


más información:
Atsutomu Nakamura et al., Retraso óptico: una nueva vía para comprender el comportamiento de la subluxación en la luz, Nano mensajes (2021). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c04337

Introducción de
Universidad de Nagoya

La frase: La luz en coordinación con la fuerza revela cómo los materiales se vuelven más difíciles cuando se encienden (2021, 5 de marzo). Consultado el 5 de marzo de 2021 en https://phys.org/news/2021-03-concert-reveals-materials-harder-illuminated. html

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