Von wegen spröde!

Überraschendes Silizium: Im Nanometermaßstab zeigt der Werkstoff unerwartete Eigenschaften

Siliziumsäule mit 310 nm Durchmesser vor der Belastung a) und nach der Deformation b). Die Säule hat dem Druck nachgegeben und sich plastisch verformt. (Foto: EMPA)

(idw-online/eigBer.) - Bereits Ludwig von Tetmajer, Gründer der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), hat sich mit der mechanischen Belastung von Säulen befasst. „Wir machten das Gleiche 127 Jahre später, allerdings auf der Nanoskala, und erfuhren dabei Überraschendes: Anstatt knickender, brüchiger Nano-Siliziumsäulen erlebten wir solche, die sich unter Druck ‚wie Butter’ plastisch verformen“, erklärt Johann Michler, Empa-Abteilungsleiter Mechanics of Materials and Nanostructures. „Unsere Säulen-Knick-Versuche gleichen im Prinzip den Versuchen Tetmajers. Nur sind unsere Säulen rund 100 000 mal kleiner“, sagt Michler.

Um sie zu belasten, kam ein Mikro- und Nanopräzisionswerkzeug, ein sog. Nanoindenter, zum Einsatz. Eingespannt in ein Rasterelektronenmikroskop, drückte die abgeflachte Spitze einer Diamantpyramide von oben in Längsrichtung auf die Säulen, die Kraft wurde dabei kontinuierlich gemessen. „Größere“ Säulen entwickelten unter Belastung Risse und zerbrachen in kleine Stücke, zeigten also das typisch spröde Verhalten.

Neue Design-Perspektiven

Waren die Säulen jedoch schmaler als 400 nm, blieb die Rissbildung aus; die Säulen begannen sich wie Metall plastisch zu verformen. Der Grund liegt in der inneren Struktur der Materie. Die Materialeigenschaften werden nicht durch die perfekte Anordnung der Atome bestimmt, sondern durch Fehler in dieser Anordnung.

Sind die Säulen kleiner als der mittlere Abstand bestimmter Defekte in der regelmäßigen Anordnung, können diese Säulen plötzlich leicht umgeformt werden.

Diese „gutmütigen“ Eigenschaften der plastischen Verformung von Silizium öffnet der Uhren- und Halbleiterindustrie für das Design von mechanischen Mikro- und Nanosys­temen ganz neue Perspektiven.