Un equipo internacional de investigadores dirigido por el profesor de ingeniería de la Universidad de Toronto, Yu Zhou, utiliza campos eléctricos para controlar el movimiento de los defectos materiales. Este trabajo tiene implicaciones importantes para mejorar las propiedades y los procesos de fabricación de cristales iónicos y covalentes típicamente frágiles, incluidos los semiconductores, un material cristalino que es un componente central de los chips electrónicos que se utilizan en las computadoras y otros dispositivos modernos.
en Se ha publicado un nuevo estudio En Nature Materials, investigadores de la Universidad de Ingeniería de Toronto, la Universidad de Dalhousie, la Universidad Estatal de Iowa y la Universidad de Pekín presentan observaciones en tiempo real del movimiento de dislocación en sulfuro de zinc monocristalino controlado mediante un campo eléctrico externo.
«Esta investigación abre la posibilidad de regular las propiedades relacionadas con la dislocación, como las propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y de transición de fase, mediante el uso de un campo eléctrico, en lugar de métodos convencionales», dice el candidato a doctorado Mingqiang Li, primer autor de el papel nuevo
En la ciencia de los materiales, una dislocación es un defecto cristalino lineal dentro de una estructura cristalina que contiene un cambio abrupto en la disposición de los átomos.
Es el defecto más importante en los materiales cristalinos, dice Zou, porque puede afectar la resistencia, la ductilidad, la tenacidad y las conductividades térmica y eléctrica de los materiales cristalinos, como los aceros que se usan en los aviones y el silicio que se usa en los chips.
En sólidos cristalinos, la buena ductilidad y conformabilidad generalmente se logran mediante la movilidad de las dislocaciones. Como tal, los metales con dislocaciones altamente móviles se pueden deformar en productos terminados mediante prensado, tensión, laminado y forjado; por ejemplo, las latas de aluminio se perforan para darles la forma.
Por el contrario, los cristales iónicos y covalentes generalmente sufren de movilidad de dislocación pobre que los hace demasiado frágiles para el procesamiento mediante métodos mecánicos y, como resultado, inadecuados para una amplia gama de técnicas de fabricación. En el caso de los semiconductores, por lo general son demasiado frágiles para ser laminados y forjados.
«La principal fuerza impulsora del movimiento de dislocación generalmente se ha limitado al estrés mecánico, lo que limita los métodos de procesamiento y las aplicaciones de ingeniería para muchos materiales cristalinos quebradizos», dice Zhou.
“Nuestro estudio proporciona evidencia directa de la dinámica de dislocación controlada por un estímulo no mecánico, que ha sido una pregunta abierta desde la década de 1960. También descartamos otras influencias en el movimiento de dislocación, incluido el calentamiento por Joule, la fuerza del viento de electrones y la irradiación de haz de electrones. ”
El estudio utilizó microscopía electrónica de transmisión in situ para observar el movimiento de las dislocaciones en el sulfuro de zinc, que fue impulsado solo por un campo eléctrico aplicado en ausencia de carga mecánica. Tanto las perturbaciones con cargas negativas como las positivas fueron provocadas por el campo eléctrico.
Los investigadores observaron que la turbulencia se movía de un lado a otro a medida que el campo eléctrico cambiaba de dirección. También encontraron que el movimiento de las dislocaciones en un campo eléctrico también depende de sus tipos de dislocaciones.
Dado que la mayoría de los semiconductores son frágiles debido a su movilidad de dislocación deficiente, el movimiento de dislocación controlado por campo eléctrico puede usarse en este nuevo estudio para mejorar su confiabilidad mecánica y formabilidad, dice Li.
Agrega: «Además, nuestro trabajo ofrece un método alternativo para reducir la densidad de defectos en semiconductores, aisladores y dispositivos heredados que no requieren el recocido térmico convencional, que utiliza la temperatura a lo largo del tiempo para reducir los defectos del material».
Si bien este estudio inicial se centró en el sulfuro de zinc, el equipo planea explorar una amplia gama de materiales, desde cristales covalentes hasta cristales iónicos.
«Mientras trabajamos en la aplicación de esta tecnología, nuestro objetivo es colaborar con las industrias de materiales y aguas abajo, especialmente las empresas de semiconductores, para desarrollar un nuevo proceso de fabricación para reducir la densidad de defectos y mejorar las propiedades y el rendimiento de los semiconductores», dice Zhou.
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