Silicio sorprendentemente malleabile

Da quando, sessant'anni fa, è stato inventato il transistor Mosfet, basato sul semiconduttore silicio, è impossibile immaginare la vita moderna senza questo elemento chimico. Ha reso possibile il trionfo del computer e il Mosfet è oggi il dispositivo più prodotto della storia. Il silicio è facilmente reperibile, economico e ha proprietà elettriche ideali, ma ha anche un importante svantaggio: è molto fragile e quindi si rompe facilmente. Questo può essere un problema se si vuole usare il silicio per produrre microsistemi, cioè dispositivi meccanici di pochi micrometri, come i sensori di accelerazione dei moderni telefoni cellulari.

All'ETH di Zurigo, un team guidato da Jeffrey Wheeler, Senior Scientist del Laboratorio di Nanometallurgia, insieme ai colleghi del Laboratorio di Meccanica dei Materiali e Nanostrutture dell'Empa, ha dimostrato che il silicio può essere molto più resistente e deformabile in determinate condizioni di quanto si pensasse in precedenza. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Communications.

Dieci anni di duro lavoro

"Questo è il risultato di dieci anni di duro lavoro", dice Wheeler, che ha condotto ricerche all'Empa di Thun prima di iniziare la sua carriera all'ETH. Per capire come le più piccole strutture in silicio possano deformarsi, nell'ambito di un progetto del FNS ha analizzato da vicino un metodo di produzione ampiamente utilizzato: il fascio di ioni focalizzati. Questo fascio di particelle cariche può fresare in modo molto efficace le forme desiderate in un disco di silicio, ma lascia anche tracce evidenti sotto forma di danni superficiali e difetti che rendono più facile la rottura del materiale.

Litografia con pulizia finale

Wheeler e i suoi collaboratori hanno avuto l'idea di provare una forma speciale di litografia come alternativa al metodo del fascio ionico. "In primo luogo, abbiamo prodotto le strutture desiderate - nel nostro caso piccoli pilastri - utilizzando un plasma di gas per incidere il materiale non coperto da una maschera dalla superficie del silicio", spiega Ming Chen, dottorando del gruppo di ricerca di Wheeler. In un'ulteriore fase, la superficie delle colonne, alcune delle quali sono larghe meno di cento nanometri, viene prima ossidata e poi pulita rimuovendo completamente lo strato di ossido con un acido forte.

Chen ha quindi utilizzato un microscopio elettronico per analizzare la resistenza e la deformabilità plastica di colonne di silicio di diversa larghezza e ha confrontato i due metodi di produzione. A tal fine, ha premuto un piccolo timbro di diamante nelle colonne e ha osservato il loro comportamento di deformazione al microscopio elettronico.

Risultati sorprendenti

I risultati sono stati sorprendenti: le colonne fresate con un fascio di ioni si sono fratturate a una larghezza inferiore a mezzo micrometro. Al contrario, le fratture fragili si sono verificate nelle colonne prodotte con la litografia solo a partire da una larghezza di quattro micrometri, ma i campioni più sottili sono stati ampiamente in grado di resistere alle sollecitazioni. "Queste colonne di silicio litografate sono ancora deformabili anche a dimensioni dieci volte superiori a quelle che abbiamo potuto osservare con il silicio fresato al plasma con la stessa direzione del cristallo - e con una resistenza doppia!", afferma Wheeler, riassumendo i risultati dei suoi esperimenti.

La resistenza delle colonne prodotte litograficamente ha raggiunto persino valori che ci si aspetterebbe solo teoricamente, cioè per cristalli ideali. Il punto forte, secondo Wheeler, è l'assoluta purezza delle superfici delle colonne, ottenuta con la pulizia finale. In questo modo si riducono i difetti superficiali che potrebbero causare la rottura del materiale. Con il supporto di Alla Sologubenko, ricercatrice del Centro di Microscopia ScopeM dell'ETH, i ricercatori hanno potuto osservare un cambiamento sorprendente nei meccanismi di deformazione a piccole dimensioni grazie a questa deformabilità aggiuntiva. Ciò ha portato alla luce nuovi dettagli sulla deformazione del silicio.

Applicazioni nei telefoni cellulari

I risultati ottenuti dai ricercatori dell'ETH potrebbero avere un impatto diretto sulla produzione di microsistemi in silicio, afferma Wheeler: "I giroscopi utilizzati nei telefoni cellulari, che rilevano la rotazione del dispositivo, potrebbero diventare ancora più piccoli e robusti", il che non dovrebbe essere troppo difficile da realizzare, dato che l'industria sta già utilizzando il metodo combinato di incisione e pulizia studiato da Wheeler e colleghi.

I ricercatori ritengono che ciò dovrebbe essere applicabile anche ad altri materiali con una struttura cristallina simile a quella del silicio. Inoltre, un silicio più elastico potrebbe essere utilizzato per migliorare ulteriormente le sue proprietà elettriche per determinate applicazioni. La mobilità degli elettroni nel semiconduttore può essere aumentata rendendolo più teso, il che significa che si possono ottenere tempi di commutazione più brevi, ad esempio. Mentre in precedenza era necessario produrre nanofili a questo scopo, ora è possibile ottenere questo risultato direttamente con strutture integrate nel chip del semiconduttore.