Design zuverlässiger nano- und mikroelektronischer Systeme

Silizium verhält sich spröde wie Glas. Und dennoch ist es das Material, auf das wir uns täglich in einer Vielzahl von wichtigen Anwendungen verlassen: bei der Elektronik in unserem Smart­phone, dem Daten­speicher in unseren Laptop oder in wichtigen Sensoren im Auto. Erst seit kurzem ist bekannt, dass sich die mechanischen Eigen­schaften von Silizium stark mit der Größe verändern. Schrumpft man Silizium­bauteile auf Dimensionen, die hundert bis tausend Mal kleiner sind als ein mensch­liches Haar, ist Silizium nicht mehr spröde, sondern weich wie Butter. Das geschieht bei massivem Silizium erst bei hohen Tempe­ra­turen oberhalb von 540 Grad Celsius. Wissen­schaftler der University of Illinois in den USA und des MPI für Eisen­forschung haben jetzt die Eigen­schaften von Federn aus Silizium, die in mikro- und nanoelektro-mechanischen Sensoren verwendet werden, untersucht.

In modernen miniaturisierten Sensoren wird Silizium als elastische Feder in Form von sehr dünnen Biege­balken verwendet. Unklar ist, ob diese Federn schon bei wesent­lich niedrigeren Tempe­ra­turen als 540 Grad Celsius ihr elastisches Verhalten verlieren und sich statt­dessen unter Belastung irrever­sibel verformen. Mohammed Elhebeary und Taher Saif von der Uni of Illinois entwickelten eine neue Test­plattform, die es ermöglicht, sehr dünne Silizium­balken unter Temperatur mechanischer Belastung auszu­setzen und live im Elektronen­mikroskop zu beobachten wie das Material reagiert.

Dabei zeigte sich, dass bereits bei 400 Grad Celsius die dünnen Biege­balken irreversibel verformen. Wieso das der Fall ist, konnten Tristan Harzer und Gerhard Dehm vom MPIE durch höchst­auflösende Trans­missions-Elektronen­mikroskopie aufklären. Die Wissen­schaftler konnten zeigen, dass bei 400 Grad Celsius unter Stress Versetzungen in dem bis dahin defekt­freien Silizium entstanden sind. „In Metallen kommen Versetzungen häufig vor und führen zur guten Umform­barkeit. Aber in Silizium sollten sie erst oberhalb von 540 Grad Celsius auftreten.“, erklärt Dehm. Die Entstehung von Versetzungen in Silizium bei 400 Grad Celsius war daher für die Forscher unerwartet.

MPIE / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Elhebeary et al.: Time dependent plasticity in silicon microbeams mediated by dislocation nucleation, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., online 1. Juli 2020; DOI: 10.1073/pnas.2002681117
• Abt. Struktur und Nano- / Mikromechanik von Materialien (G. Dehm), Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, Düsseldorf
• Mechanical Science and Engineering Department, University of Illinois at Urbana–Champaign, USA