Descoperirea ar putea permite controlul în timp real al tensiunii în semiconductori, deschizând calea pentru electronicele de generație următoare.
Oamenii de știință de la MIT, în căutarea unor progrese în domeniul materialelor nucleare, au făcut o descoperire neașteptată cu implicații majore pentru microelectronică: au descoperit că pot folosi un fascicul de raze X nu numai pentru a observa defectarea materialelor în timp real, ci și pentru a controla cu precizie cantitatea de tensiune (strain) din interiorul materialului în timpul experimentelor. Această nouă capacitate ar putea deschide noi metode de îmbunătățire a proprietăților electrice și optice ale cipurilor semiconductoare, oferind inginerilor un instrument practic pentru fabricarea de dispozitive microelectronice avansate.
Cercetarea, detaliată în Scripta Materialia de autorul principal Ericmoore Jossou și colegii săi, a început ca un efort de a înțelege cum se degradează materialele critice pentru reactoare sub radiații intense.
Configurația echipei a implicat bombardarea cu raze X extrem de concentrate și de înaltă intensitate a unor mostre de nichel preparate prin „solid-state dewetting” – un proces care formează monocristale prin încălzirea filmelor subțiri la temperaturi ridicate. Scopul lor a fost de a recrea condițiile dure tipice reactoarelor nucleare și de a studia coroziunea și fisurarea pe măsură ce acestea aveau loc.
Pe măsură ce echipa și-a rafinat experimentul, au observat că, prin ajustarea duratei și a focalizării razei X, puteau manipula structura cristalină, fie relaxând, fie sporind tensiunea internă. Efectul a fost cel mai pronunțat atunci când un strat de dioxid de siliciu a fost folosit ca tampon între nichel și substratul său de siliciu.
Acest progres depășește curiozitatea academică, oferind o tehnică scalabilă pentru industria semiconductorilor.
Ingineria tensiunii (Strain engineering), ceea ce înseamnă distorsionarea deliberată a rețelei cristaline a materialelor pentru a îmbunătăți performanța, este o parte esențială a construirii de cipuri mai rapide și mai eficiente. În mod tradițional, acest lucru implică metode mecanice sau introducerea de straturi specifice în timpul fabricației.
Descoperirea de la MIT sugerează că fasciculele de raze X ar putea deveni un instrument de precizie pentru reglarea tensiunii în timpul fabricării unui cip, reprezentând un câștig dublu pentru știința materialelor: cunoaștere mai profundă despre defectarea în medii nucleare și o nouă tehnologie pentru fabricarea electronicelor.
Aceste rezultate neașteptate au apărut pe măsură ce cercetătorii încercau să obțină imagini stabile ale cristalelor de nichel sub stres. Prepararea de mostre utilizabile a necesitat depășirea reacțiilor chimice care ar putea deraia experimentele, cum ar fi formarea de compuși nedoriți între nichel și siliciu.
Introducerea unui tampon subțire de dioxid de siliciu nu numai că a stabilizat cristalele, dar a permis și echipei să relaxeze suficient tensiunea pentru ca algoritmii de recuperare a fazei să reconstruiască forma 3D a mostrelor în timp real.
Această capacitate de a urmări defectarea cristalelor în trei dimensiuni, pe măsură ce sunt expuse la condiții simulate de reactor, oferă date cruciale pentru proiectarea de materiale mai rezistente pentru reactoare, sisteme de propulsie navală și alte medii solicitante.
Lucrarea a fost realizată de o echipă formată din Ericmoore Jossou, David Simonne, Riley Hultquist, Jiangtao Zhao și Andrea Resta și a fost finanțată de MIT Faculty Startup Fund și de Departamentul de Energie al SUA. Cercetătorii intenționează acum să își extindă studiile la aliaje mai complexe și să ajusteze fin modul în care grosimea tamponului influențează controlul tensiunii.
