Plastisch im Dunkeln, spröde im Hellen

  • 18. May 2018

Ohne Licht nimmt die Plastizität von Zink­sulfid-Kristallen deut­lich zu.

Anorganische, kristalline Halbleiter wie Silizium lassen sich in flexibler Elek­tronik wegen ihrer Bruch­empfind­lich­keit nur sehr begrenzt ein­setzen. Trotz einer gerin­geren Beweg­lich­keit der Elek­tronen werden hierzu bevor­zugt orga­nische Halb­leiter genutzt. Doch Zink­sulfid-Kristalle zeigen ein ver­blüf­fendes Ver­halten in völliger Dunkel­heit, wie jetzt Forscher in Japan zeigen konnten. Der II-IV-Verbin­dungs­halb­leiter lässt sich um bis zu 45 Prozent plastisch ver­formen. Wieder dem Licht aus­ge­setzt geht er in seinen fragilen, spröden Zustand über.

Zinksulfid

Abb.: Ein transparenter Zinksulfid-Kristall (links) lässt sich im Dunkeln plastisch zu einem gelb­lichen Kristall (rechts) ver­formen. Unter weißem Licht dagegen zer­bröselt er bereits bei geringer Druck­belas­tung (Mitte; Bild: A. Nakamura).

„Der Einfluss völliger Dunkelheit auf die mechanischen Eigen­schaften von anorga­nischen Halb­leitern ist noch nie zuvor unter­sucht worden“, sagt Atsu­tomo Naka­mura vom Materials Design Labora­tory der Nagoya Univer­sity. Genau dieses Ver­halten wollte er gemein­sam mit seinen Kollegen syste­matisch unter­suchen. Die Wissen­schaftler wählten als Proben­material trans­pa­rente und ein Zenti­meter hohe Zink­sulfid-Quader mit etwa drei Milli­metern Kanten­länge. Der Halb­leiter-Kristall bildete ein kubisches Gitter.

Die Strukturänderungen ihrer Proben analysierten die Forscher mit einem Licht-, einem Trans­missions­elek­tronen- und einem Raster­elek­tronen­mikro­skop. Unter weißem Licht oder UV-Licht einem Druck von bis zu achtzig Mega­pascal aus­ge­setzt, zer­brach der Kristall wie erwartet bereits nach geringer Ver­formung von wenigen Prozent. Doch im Dunkeln wandelten sich die mecha­nischen Eigen­schaften drastisch und der Kristall reagierte unter einem Druck von bis zu hundert Mega­pascal mit einer plas­tischen Ver­formung von bis zu 45 Prozent. Bei Hellig­keit verlor der Kristall diese große Plasti­zität wieder und zer­bröselte.

Zinksulfid

Abb.: Die Beweglichkeit von Gitter­fehlern (Modell und STEM-Aufnahme) sehen die Forscher als Ursache für die große Plasti­zität von Zink­sulfid-Kristallen. (Bild: A. Nakamura)

Die Ursache für dieses verblüffende Verhalten fanden Nakamura und Kollegen in der Anord­nung und Beweg­lich­keit von Gitter­fehlern im Kristall. Unter einer Druck­belas­tung disso­ziierten die Gitter­fehler in zwei Teil­gruppen. Beide zeigten eine große Beweg­lich­keit inner­halb des Kristall­gitters, so dass sie anein­ander vorbei­gleiten und einen Kollaps der Kristall­struktur ver­meiden konnten. Dieser photo­plas­tische Effekt wirkte sich eben­falls auf die optischen und elek­tro­nischen Eigen­schaften des Zink­sulfids aus. So ver­färbte sich der ohne Druck farb­lose Kristall bei einer Ver­formung um 35 Prozent gelb. Parallel schrumpfte die Band­lücke von 3,52 auf 2,96 Elek­tronen­volt.

DIchtefunktionaltheorie-Berechnungen von idealen Zink­sulfid-Kristallen bestätigten diesen Trend einer schrum­pfenden Band­lücke ver­ur­sacht durch eine plastische Ver­formung. Aller­dings lieferten die Berech­nungen etwas geringe Werte mit 2,72 bzw. 1,88 Elek­tronen­volt. So werden in Zink­sulfid bei Licht­ein­fall ent­lang der Gitter­fehler Elek­tronen und Elek­tronen­löcher erzeugt. Ent­gegen­gesetzte Partial­ladungen redu­zieren die Beweg­lich­keit der Gitter­fehler. Elek­tronen und Löcher bevölkern zudem zusätz­liche Energie­stufen. Wegen der gerin­geren Beweg­lich­keit ver­hält sich ein beleuch­teter Zink­sulfid-Kristall spröde. Bei Dunkel­heit fehlen die Ladungs­träger komplett und der Kristall zeigt seine plastische Ver­form­bar­keit.

Diese Studie zeigt, dass sich die mechanischen Eigen­schaften von anorga­nischen Halb­leitern abhängig vom Licht­ein­fall ver­ändern. In Dunke­lheit lassen sich zudem elek­tro­nische Eigen­schaften abhängig von einer plas­tischen Ver­formung vari­ieren. Die Wissen­schaftler hoffen, nun gezielt Kristalle mit neuen Eigen­schaften über eine kontrol­lierte Beleuch­tung designen zu können. So könnte die Bildung von Gitter­fehlern während des Kristall­wachs­tums über eine ange­passte Beleuch­tung beein­flusst werden. Auch der Ein­satz von anorga­nischen Halb­leitern in flexibler Elek­tronik – eine kom­plette Licht­ab­schir­mung voraus­gesetzt – wäre mit dieser Ent­deckung möglich.

Jan Oliver Löfken

RK

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