В результате исследований, проведенных международной группой ученых на базе Nordic Hysitron Laboratory (NHL) в Технологическом Университете Хельсинки (Helsinki University of Technology, Финляндия), было экспериментально получено новое объяснение эффекта изменения пластичности полупроводников при воздействии электрического тока. Работа ведет к переосмыслению природы некоторых важных свойств полупроводниковых материалов.

Изменение электрической проводимости полупроводников при приложении механической нагрузки уже давно описано учеными. Влияние деформации полупроводникового материала на его электрические свойства получило название тензорезистивного эффекта и объяснялось до сих пор лишь возникновением дислокаций и изменением межатомных расстояний при деформации, приводящих к изменению структуры энергетических зон кристалла.

В современных исследованиях механических свойств материалов ученые перешли к экспериментам на наноразмерном уровне: с помощью методов наноиндентирования (изучения поведения материала при приложении точечного механического воздействия) были выявлены новые закономерности, в том числе скачкообразные эффекты (pop-in events), когда индентер очень легко погружается в материал, что сигнализирует об упругопластическом переходе.

Более подробному изучению этих эффектов была посвящена работа под руководством профессора Романа Новака (Roman Nowak) из Технологического Университета Хельсинки (Helsinki University of Technology). Ученые обнаружили, что пластичность возникает не в результате перемещения или зарождения деформаций, а как результат фазового превращения, инициированного наноразмерными изменениями кристаллической структуры.

«Важным следствием нашего открытия, – рассказывает профессор Новак, – является понимание того, что макроскопические свойства материалов обусловлены процессами, происходящими в нано-объеме, и что они еще недостаточно изучены. Интересно выяснить, как проявляется этот эффект в других полупроводниковых материалах, и далее можно задумываться о разнообразных его приложениях. Например, о разработке полупроводниковых датчиков и переключателей, работа которых основана на изменении электрических характеристик материала при механическом давлении».

Ученые попытались ответить на вопрос «При каких условиях и в каких пространственных масштабах проявляются взаимодействия электрических и механических свойств?» Уникальные возможности прибора, разработанного американской фирмой Hysitron, позволили провести беспрецедентные параллельные измерения электрических и механических свойств арсенида галлия в наноразмерном масштабе. На образец подавалось импульсное (пикообразное) напряжение, которое приводило к столь же быстрому фазовому переходу в веществе, подвергаемому механическому воздействию. Этот эффект ученые ранее не выявляли при наноиндентировании. Между тем, основательность полученных результатов была дополнена вычислениями ab initio (без изначальных допущений).

Комментируя полученные результаты, ученые подчеркивают, что выявленный эффект является некоторым общим свойством, а существующая теория изменения электрических и механических свойств материалов в ответ на нанодеформацию должна быть пересмотрена, поскольку эффект не имеет дислокационной природы.

Подробности работы, проводившейся в рамках финской исследовательской программы FinNano, опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Мария Костюкова