{"id":228766,"date":"2020-06-10T14:30:31","date_gmt":"2020-06-10T12:30:31","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=226376"},"modified":"2020-06-10T14:30:31","modified_gmt":"2020-06-10T12:30:31","slug":"kleinere-handy-akkus-dank-verformbarem-silizium","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/kleinere-handy-akkus-dank-verformbarem-silizium\/","title":{"rendered":"Kleinere Handy-Akkus dank verformbarem Silizium"},"content":{"rendered":"

Seit 60 Jahren gibt es den Mosfet-Transistor<\/a>, der mittlerweile das meisthergestellte Ger\u00e4t der Geschichte ist. Dieser Transistor basiert auf dem Halbleiter Silizium, ohne den es heute keine Computer und auch keine Handys g\u00e4be. Silizium hat den Vorteil, dass es billig und leicht verf\u00fcgbar ist. Der Nachteil ist hingegen, dass es leicht bricht, weil es sehr spr\u00f6de ist. Das kann wiederum ein Problem darstellen, wenn so winzige, nur wenige Mikrometer kleine, Systeme wie beispielsweise Beschleunigungssensoren in modernen Handys hergestellt werden sollen.<\/p>\n

Forscher der ETH Z\u00fcrich<\/a><\/strong> unter Leitung von Jeffrey Wheeler, Senior Scientist im Labor f\u00fcr Nanometallurgie, und des Labors f\u00fcr die Mechanik von Materialien und Nanostrukturen an der Empa<\/a><\/strong> konnten jetzt aber zeigen, dass Silizium \u201eunter bestimmten Bedingungen viel widerstandsf\u00e4higer und verformbarer sein kann, als man bisher gedacht hatte\u201c. Die Ergebnisse ihrer Forschung haben sie im Fachjournal Nature Communications<\/em><\/a><\/strong> ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n

Sch\u00e4den vermeiden<\/h3>\n

\u201eDas ist das Ergebnis einer zehnj\u00e4hrigen Flei\u00dfarbeit\u201c, sagt Wheeler. Er untersuchte eine weit verbreitete Herstellungsmethode von Silizium \u2013 den geb\u00fcndelten Ionenstrahl \u2013 ganz genau. So wollte er herausfinden, wie sich kleinste Strukturen aus Silizium verformen k\u00f6nnen. Ein Ionenstrahl kann in eine Siliziumscheibe Formen fr\u00e4sen, verursacht aber auch Oberfl\u00e4chensch\u00e4den und -defekte. Dadurch bricht das Material dann leichter.<\/p>\n

Um derartige Sch\u00e4den zu vermeiden, entschlossen sich Wheeler und seine Mitarbeiter, eine spezielle Form der Lithographie anstelle das Ionenstrahls zu testen. \u201eZuerst stellten wir die gew\u00fcnschten Strukturen \u2013 in unserem Fall winzige S\u00e4ulen \u2013 her, indem wir mit einem Gasplasma das nicht von einer Maske bedeckte Material von einer Siliziumoberfl\u00e4che weg\u00e4tzten\u201c, erkl\u00e4rt Ming Chen, ein ehemaliger Doktorand aus Wheelers Arbeitsgruppe. In einem weiteren Schritt werde die Oberfl\u00e4che der teils weniger als einhundert Nanometer breiten S\u00e4ulen zun\u00e4chst oxidiert und dann gereinigt, indem die Oxidschicht mit einer starken S\u00e4ure restlos entfernt werde.<\/p>\n

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Der Herstellungsprozess der festen, verformbaren Siliziums\u00e4ulen (links). Durch eine Maske aus Lack werden die S\u00e4ulen zun\u00e4chst ge\u00e4tzt, dann oxidiert und schliesslich gereinigt. Das Endresultat ist rechts zu sehen (Grafik: M.Chen\/ETH Z\u00fcrich).<\/figcaption><\/figure>\n

Im n\u00e4chsten Schritt kam ein Elektronenmikroskop zum Einsatz, mit dem Chen die Festigkeit und plastische Verformbarkeit von verschieden breiten Siliziums\u00e4ulen untersuchte und die beiden Herstellungsmethoden miteinander verglich. Dazu habe er einen winzigen Diamantstempel in die S\u00e4ulen hinein gedr\u00fcckt und deren Verformungsverhalten beobachtet.<\/p>\n

\u00dcberraschende Ergebnisse<\/h3>\n

Die Ergebnisse zeigten, dass die mit einem Ionenstrahl gefr\u00e4sten S\u00e4ulen bereits bei einer Breite von weniger als einem halben Mikrometer einbrachen. Bei den per Lithographie-Verfahren hergestellten S\u00e4ulen sei es dagegen es erst bei Breiten \u00fcber vier Mikrometern zu Spr\u00f6dbr\u00fcchen gekommen, erkl\u00e4ren die Wissenschaftler. D\u00fcnnere Exemplare h\u00e4tten der Belastung aber weitgehend widerstanden. \u201eDiese lithographischen Siliziums\u00e4ulen sind noch verformbar selbst bei zehnfach gr\u00f6\u00dferen Dimensionen, als wir sie bei mit Plasma gefr\u00e4stem Silizium mit derselben Kristallrichtung beobachten konnten \u2013 und das bei doppelter Festigkeit!\u201c, fasst Wheeler die Ergebnisse seiner Experimente zusammen.<\/p>\n

Die Festigkeit der lithografisch erzeugten S\u00e4ulen habe sogar Werte erreicht, die man eigentlich nur theoretisch erwarten w\u00fcrde. \u201eDer Clou liegt in der absoluten Reinheit der S\u00e4ulenoberfl\u00e4chen, die mit der abschlie\u00dfenden Reinigung erreicht wird.\u201c Dadurch blieben wesentlich weniger Oberfl\u00e4chendefekte \u00fcbrig, die einen Bruch im Material ausl\u00f6sen k\u00f6nnten. Eine auff\u00e4llige \u00c4nderung der Verformungsmechanismen bei kleinen Dimensionen, die die Wissenschaftler au\u00dferdem beobachteten, brachte zudem ganz neue Details bei der Verformung von Silizium ans Licht.<\/p>\n

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Siliziums\u00e4ulen verschiedener Gr\u00f6sse unter dem Elektronenmikroskop, von knapp 10 Mikrometern (links, der weisse Balken entspricht 3 Mikrometern) bis hinunter zu 150 Nanometern. (aus Chen M. et al, Nat.Comm, 2020)<\/figcaption><\/figure>\n

Auswirkungen auf Handys<\/h3>\n

Laut Wheeler k\u00f6nnten diese neuen Erkenntnisse direkte Auswirkungen auf die Herstellung von Silizium-Mikrosystemen haben. \u201eIn Handys eingesetzte Gyroskope, die Drehungen des Ger\u00e4tes nachweisen, k\u00f6nnten so noch kleiner und robuster werden.\u201c Die aktuell bereits in der Industrie verwendete kombinierte \u00c4tz- und Reinigungsmethode sollte auch f\u00fcr andere Materialien mit \u00e4hnlicher Kristallstruktur wie der von Silizium anwendbar sein, denken die Wissenschaftler. Au\u00dferdem k\u00f6nnte man mit elastischerem Silizium auch dessen elektrische Eigenschaften f\u00fcr bestimmte Anwendungen weiter verbessern. \u201eDurch eine starke Verspannung des Halbleiters kann n\u00e4mlich die Beweglichkeit seiner Elektronen erh\u00f6ht werden, wodurch sich beispielsweise k\u00fcrzere Schaltzeiten erreichen lassen.\u201c Bisher mussten dazu Nanodr\u00e4hte hergestellt werden, k\u00fcnftig k\u00f6nnte man das direkt mit Strukturen schaffen, die im Halbleiterchip integriert sind.<\/p>\n

Titelbild: Wenige Mikrometer grosse Siliziums\u00e4ulen unter dem Elektronenmikroskop: Solche Strukturen machen das Material elastischer. (Bild: Laszlo Peth\u00f6 \/ Empa)<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Seit 60 Jahren gibt es den Mosfet-Transistor, der mittlerweile das meisthergestellte Ger\u00e4t der Geschichte ist. Dieser Transistor basiert auf dem Halbleiter Silizium, ohne den es heute keine Computer und auch keine Handys g\u00e4be. Silizium hat den Vorteil, dass es billig und leicht verf\u00fcgbar ist. Der Nachteil ist hingegen, dass es leicht bricht, weil es sehr […]<\/p>\n","protected":false},"author":1660,"featured_media":518261,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"advgb_blocks_editor_width":"","advgb_blocks_columns_visual_guide":"","footnotes":""},"categories":[36843],"tags":[90229,39208,35959,34885,49735],"location":[],"article_type":[],"serie":[],"archives":[],"internal_archives":[],"reboot-archive":[],"class_list":["post-228766","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-digital-de-de","tag-akkus-de","tag-empa-de","tag-eth-zuerich-de","tag-handy-de","tag-silizium-de"],"blocksy_meta":[],"acf":{"subtitle":"","text_display_homepage":false},"author_meta":{"display_name":"Petra Wiesmayer","author_link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/author\/petra-wiesmayer\/"},"featured_img":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-content\/uploads\/2020\/06\/image.imageformat.fullwidth.1642169562-1-300x94.jpg","coauthors":[],"tax_additional":{"categories":{"linked":["Digital<\/a>"],"unlinked":["Digital<\/span>"]},"tags":{"linked":["akkus<\/a>","Empa<\/a>","ETH Z\u00fcrich<\/a>","Handy<\/a>","Silizium<\/a>"],"unlinked":["akkus<\/span>","Empa<\/span>","ETH Z\u00fcrich<\/span>","Handy<\/span>","Silizium<\/span>"]}},"comment_count":"0","relative_dates":{"created":"Posted 6 years ago","modified":"Updated 6 years ago"},"absolute_dates":{"created":"Posted on June 10, 2020","modified":"Updated on June 10, 2020"},"absolute_dates_time":{"created":"Posted on June 10, 2020 2:30 pm","modified":"Updated on June 10, 2020 2:30 pm"},"featured_img_caption":"","series_order":"","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/228766","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1660"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=228766"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/228766\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/media\/518261"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=228766"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=228766"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=228766"},{"taxonomy":"location","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/location?post=228766"},{"taxonomy":"article_type","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/article_type?post=228766"},{"taxonomy":"serie","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/serie?post=228766"},{"taxonomy":"archives","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/archives?post=228766"},{"taxonomy":"internal_archives","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/internal_archives?post=228766"},{"taxonomy":"reboot-archive","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/reboot-archive?post=228766"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}