Wyrusz w podróż do świata wiedzy

Odkształcenie plastyczne półprzewodników, część 1

Zastanawialiście się kiedyś, z jakich materiałów zrobione są otaczające nas komputery? Między innymi z półprzewodników, które charakteryzują się bardzo interesującymi właściwościami.

Półprzewodniki to grupa materiałów, których przewodnictwo elektryczne zmienia się pod wpływem różnych, zewnętrznych czynników. Ta zmienność wynika z ich budowy molekularnej – przerwa energetyczna skutecznie utrudnia swobodny przepływ prądu.

chrobak_1Jednym z takich zmieniających ich przewodnictwo czynników jest ogrzewanie danej substancji, ale to – na dłuższą metę – działanie bez sensu (wyobraźmy sobie, że musimy podgrzać kabel, żeby popłynął nim prąd). Dlatego półprzewodniki poddaje się domieszkowaniu już na etapie wytwarzania. Wyróżniamy dwie metody domieszkowania: donorową i akceptorową. Ta pierwsza polega na tym, że do układu dostarczamy dodatkowy elektron walencyjny, który nie uczestniczy w wiązaniach, jest swobodny, i dzięki temu w półprzewodniku może płynąć prąd elektronowy. Ta druga polega z kolei na usunięciu elektronu, w efekcie czego powstaje swoisty brak, dziura, na którą wskakują kolejne elektrony, i dzięki temu w półprzewodniku popłynie prąd dziurowy. Prądy te płyną w przeciwnych kierunkach.

Półprzewodniki charakteryzują się właściwościami, których nie mają przewodniki i dlatego używa się ich w konstruowaniu elektroniki cyfrowej. Pierwszy tranzystor zbudowano właśnie z takiego materiału – z Germanu (Ge). Każdy mikroprocesor zbudowany jest z setek tysięcy odpowiednio połączonych mikro-tranzystorów.

Dr hab. Dariusz Chrobak z Zakładu Badań Strukturalnych Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach zajmuje się właśnie mechanizmami i procesami odkształcania plastycznego w półprzewodnikach, między innymi w Krzemie, Germanie czy Arsenku Galu. Do badań stosuje metody doświadczalne, eksperymentalne oraz teoretyczne (głównie obliczeniowe: klasyczną dynamikę molekularną, i kwantową metodę ab-inito, polegającą na rozwiązywania równania Schrödingera dla układu wielu oddziaływających ze sobą elektronów i jąder atomowych).

chrobak_5Badania zmian struktury odkształcanych półprzewodników prowadzi się w laboratoriach rentgenowskich i za pomocą mikroskopu elektronowego. Jednak najważniejsza metoda pomiarowa wykorzystuje Triboindenter TI-950 firmy Hysitron. Przyrząd ten pozwala zbadać odpowiedź sprężysto-plastyczną w bardzo małych obszarach półprzewodnika – w nanoobjętościach i w nanoobiektach. To dość popularna ostatnio metoda, ma też duże zastosowanie praktyczne.

Bardzo małą i niezwykle ostrą igłą diamentową „dotyka” się powierzchni materiału i rejestruje związek pomiędzy przyłożoną siłą, a przemieszczeniem igły. Kontakt igły z badanym materiałem powoduje powstanie naprężeń będących przyczyną ciekawych zjawisk fizycznych.

Część druga już za tydzień!