Überraschend verformbares Silizium

Seit vor sechzig Jahren der Mosfet-​Transistor (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) erfunden wurde, der auf dem Halbleiter Silizium basiert, ist dieses chemische Element aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Es ermöglichte den Siegeszug des Computers, und der Mosfet ist nunmehr das meisthergestellte Gerät der Geschichte. Silizium ist leicht verfügbar, billig und hat ideale elektrische Eigenschaften, aber auch einen wichtigen Nachteil: Es ist sehr spröde und bricht daher leicht. Dies kann zum Problem werden, wenn man aus Silizium Mikrosysteme, also nur wenige Mikrometer grosse mechanische Geräte herstellen will, wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren in modernen Handys.

An der ETH Zürich hat ein Team unter Leitung von Jeffrey Wheeler, Senior Scientist im Labor für Nanometallurgie, gemeinsam mit Kollegen des Labors für die Mechanik von Materialien und Nanostrukturen an der Empa (Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) gezeigt, dass Silizium unter bestimmten Bedingungen viel widerstandsfähiger und verformbarer sein kann, als man bisher gedacht hatte. Ihre Ergebnisse wurden jüngst im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

«Das ist das Ergebnis einer zehnjährigen Fleissarbeit», sagt Wheeler, der vor seiner Karriere an der ETH bei der Empa in Thun forschte. Um zu verstehen, wie kleinste Strukturen aus Silizium sich verformen können, nahm er im Rahmen eines SNF-​Projekts (Schweizerischer Nationalfonds) eine weit verbreitete Herstellungsmethode genauer unter die Lupe: den gebündelten Ionenstrahl. Ein solcher Strahl aus geladenen Teilchen kann sehr effektiv gewünschte Formen in eine Siliziumscheibe fräsen, hinterlässt dabei aber auch deutliche Spuren in Form von Oberflächenschäden und -​defekten, die das Material leichter brechen lassen.