خاصیت الاستیکی سیلیکون در مقیاس نانو

سیلیکون یک ماده شکننده است که نمی‌توان به‌راحتی آن را قالب‌ریزی کرد و به شکل مورد نظر درآورد. اما محققان دریافته‌اند که سیلیکونی با ۳ نانومتر طول می‌تواند ۲۰ برابر اندازه اولیه خود کشیده شود، بدون این که آسیب ببیند. اگر محققان بتوانند از خاصیت ارتجاعی سیلیکون در ابعاد نانومتری استفاده کنند آنگاه می‌توانند سیلیکون را شکل داده و نانوساختارهایی با اشکال دلخواه تولید کنند.

سیلیکون یک ماده شکننده است که نمی‌توان به‌راحتی آن را قالب‌ریزی کرد و به شکل
مورد نظر درآورد. اما محققان دریافته‌اند که سیلیکونی با ۳ نانومتر طول می‌تواند ۲۰
برابر اندازه اولیه خود کشیده شود، بدون این که آسیب ببیند. اگر محققان بتوانند از
خاصیت ارتجاعی سیلیکون در ابعاد نانومتری استفاده کنند آنگاه می‌توانند سیلیکون را
شکل داده و نانوساختارهایی با اشکال دلخواه تولید کنند.

تاداشی ایشیدا، از دانشگاه توکیو و همکارانش از دیگر موسسات ژاپنی مقاله‌ای در
نشریه Nanotechnology به چاپ رساندند که در آن به مطالعه خاصیت ارتجاعی سیلیکون در
ابعاد نانومتری پرداخته شده است. پیش از این محققان بسیاری معتقد بوده‌اند که مواد
شکننده ماکروسکوپی مانند سیلیکون و دیگر مواد کووالانسی ( موادی که در آنها اتم‌ها
با استفاده از پیوندهای قوی کوولانسی به‌هم متصل شده‌اند) در مقیاس نانو از خود
خاصیت ارتجاعی نشان می‌دهند. اما اندازه‌گیری خواص این نانومواد بسیار دشوار بوده
است. دلیل این دشواری مشکلات فنی آن است. یکی از مشکلات این کار، گرفتن یک گوشه از
نانوذرات و بررسی خواص نانوذرات در حین انجام تست است.

برای از میان برداشتن این مشکلات، محققان از روش جدید مبتنی بر سیستم‌های
الکترومکانیکی (MEMS) و میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده کردند که آن را
MEMS-in-TEM نامیدند. با این روش محققان توانستد که سیلیکون را توسط MEMS گرفته و
با استفاده از میکروسکوپ TEM به‌صورت زنده نتیجه کار را ببینند.

برای شروع این فرآیند محققان از یک تکه سیلیکون به‌طول ۳ نانومتر و قطر ۵۰ نانومتر
استفاده کردند. این گروه تحقیقاتی، سیلیکون را با سرعت شبه ایستایی کشیدند که این
کار موجب شد تا سیلیکون کشیده شود. در طول بازه زمانی ۳۰ دقیقه‌ای، سیلیکون از ۳
نانومتر به ۶۱٫۶ نانومتر رسید در حالیکه قطر آن به‌تدریج کاهش می‌یافت. محققان این
آزمایش را روی ۷ نمونه مختلف انجام دادند و فرآیند کشیدن را تا حدی ادامه دادند که
سیلیکون به حالتی درآمد که تنها یک نقطه دو سوی سیلیکون را به‌هم متصل می‌کرد.

ایشیدا می‌گوید، کشش آهسته موجب می‌شود که اتم‌های سیلیکون فرصت کافی برای نفوذ
پیدا کرده و به تدریج از حالت آمورف به حالت پل در آید. ابرالاستیسیته خاصیتی است
که از ترکیب دو پدیده نفوذ سطح حاصل از فشار و تغییر شکل آمورفی اینترگرانولی
به‌وجود می‌آید.

در اثر نفوذ سطحی حاصل از فشار، اتم‌های سیلیکون در طول سطح گسترش می‌یابند که این
کار طول را افزایش می‌دهد. اما در اثر تغییر شکل آمورفی اینترگرانولی بلورها نیز به
این جریان می‌پیوندند. محققان می‌گویند زمانی که قطر پل ایجاد شده کمتر از اندازه
میانگین بلورها می‌شود آنگاه دیگر پل قادر به تحمل کشیدگی بیشتر نبوده و به نقطه
بحرانی خود می‌رسد.