Материалы, созданные в нанометровом масштабе, всего в несколько атомов толщиной, самопроизвольно формируют структурную рябь под действием тепловой энергии, даже при комнатной температуре. Это явление не просто поверхностный дефект; оно существенно влияет на механические свойства таких ультратонких пленок. Возникающие напряжения и изменения упругости могут ограничивать применимость этих перспективных материалов в критически важных областях, например, в современной электронике.
Новое исследование предоставило экспериментальное подтверждение теоретическим моделям, описывающим зависимость упругости тонких материалов от их масштаба. Ключевой вывод заключается в том, что упругие свойства материала не являются константой, а изменяются в зависимости от размера образца, причем это изменение напрямую связано с наличием наноразмерной ряби.
Полученные экспериментальные данные совпали с теориями, ранее предложенными исследовательской группой профессора Дэвида Р. Нельсона из Гарвардского университета. Профессор Нельсон также выступил соавтором нового исследования, подтверждающего его теоретические выкладки многолетней давности.
Ассистент-профессор Цзянь Чжоу (Jian Zhou, Ph.D. '18) с кафедры машиностроения Инженерно-прикладного колледжа Томаса Дж. Ватсона (Университет Бингемтона) утверждает: «Впервые удалось точно охарактеризовать влияние этой ряби на механические свойства тонких пленок». Это знание открывает путь к более предсказуемому проектированию наноустройств.
Для экспериментального подтверждения исследователи использовали стандартный процесс производства полупроводников. Были созданы структуры из оксида алюминия (глинозема) толщиной всего 28 нанометров. Для сравнения, это более чем в 1000 раз тоньше диаметра человеческого волоса. Эти структуры формировались на кремниевой подложке.
На поверхности созданных образцов оксида алюминия намеренно индуцировали статическую рябь, имитирующую тепловые флуктуации. Затем поведение этих структур с рябью измеряли с помощью лазеров. Чтобы исключить влияние внешних напряжений, которые могли бы исказить результаты, кремниевые пластины во время тестов удерживались специальными кантилеверами (микроскопическими консолями).
Понимание эффектов, вызванных нанорябью, имеет решающее значение для развития технологий, основанных на тонких пленках. Это касается разработки новых поколений микроэлектроники, микромеханических устройств (MEMS) и даже микроскопических роботов, способных функционировать на клеточном уровне.
Открытия могут стимулировать инновации в таких областях, как медицина (например, для создания имплантируемых датчиков или систем доставки лекарств), вычислительная техника (для более компактных и эффективных компонентов) и многих других технологических сферах, где миниатюризация играет ключевую роль.
Цзянь Чжоу видит большие перспективы: «Мы сможем создавать более совершенные структуры, например, для микроробототехники, с точным геометрическим контролем». Он также упоминает возможность разработки систем с управляемой в реальном времени формой, сравнивая их с концепцией «Трансформеров», где структуры могут активно изменять свою конфигурацию.
Исследование стало результатом сотрудничества нескольких ведущих научных центров. Помимо Университета Бингемтона и Гарвардского университета, в работе приняли участие специалисты из Аргоннской национальной лаборатории, Принстонского университета и Университета штата Пенсильвания.
Результаты этого междисциплинарного исследования были недавно опубликованы в престижном научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
В качестве наглядной демонстрации контроля над поведением материала исследователи, используя полученные знания о влиянии ряби, смогли изогнуть тонкую пленку, придав ей форму «наноскопических цветов». Это показывает потенциал управления формой и свойствами материалов на наноуровне.
Изображение носит иллюстративный характер
Новое исследование предоставило экспериментальное подтверждение теоретическим моделям, описывающим зависимость упругости тонких материалов от их масштаба. Ключевой вывод заключается в том, что упругие свойства материала не являются константой, а изменяются в зависимости от размера образца, причем это изменение напрямую связано с наличием наноразмерной ряби.
Полученные экспериментальные данные совпали с теориями, ранее предложенными исследовательской группой профессора Дэвида Р. Нельсона из Гарвардского университета. Профессор Нельсон также выступил соавтором нового исследования, подтверждающего его теоретические выкладки многолетней давности.
Ассистент-профессор Цзянь Чжоу (Jian Zhou, Ph.D. '18) с кафедры машиностроения Инженерно-прикладного колледжа Томаса Дж. Ватсона (Университет Бингемтона) утверждает: «Впервые удалось точно охарактеризовать влияние этой ряби на механические свойства тонких пленок». Это знание открывает путь к более предсказуемому проектированию наноустройств.
Для экспериментального подтверждения исследователи использовали стандартный процесс производства полупроводников. Были созданы структуры из оксида алюминия (глинозема) толщиной всего 28 нанометров. Для сравнения, это более чем в 1000 раз тоньше диаметра человеческого волоса. Эти структуры формировались на кремниевой подложке.
На поверхности созданных образцов оксида алюминия намеренно индуцировали статическую рябь, имитирующую тепловые флуктуации. Затем поведение этих структур с рябью измеряли с помощью лазеров. Чтобы исключить влияние внешних напряжений, которые могли бы исказить результаты, кремниевые пластины во время тестов удерживались специальными кантилеверами (микроскопическими консолями).
Понимание эффектов, вызванных нанорябью, имеет решающее значение для развития технологий, основанных на тонких пленках. Это касается разработки новых поколений микроэлектроники, микромеханических устройств (MEMS) и даже микроскопических роботов, способных функционировать на клеточном уровне.
Открытия могут стимулировать инновации в таких областях, как медицина (например, для создания имплантируемых датчиков или систем доставки лекарств), вычислительная техника (для более компактных и эффективных компонентов) и многих других технологических сферах, где миниатюризация играет ключевую роль.
Цзянь Чжоу видит большие перспективы: «Мы сможем создавать более совершенные структуры, например, для микроробототехники, с точным геометрическим контролем». Он также упоминает возможность разработки систем с управляемой в реальном времени формой, сравнивая их с концепцией «Трансформеров», где структуры могут активно изменять свою конфигурацию.
Исследование стало результатом сотрудничества нескольких ведущих научных центров. Помимо Университета Бингемтона и Гарвардского университета, в работе приняли участие специалисты из Аргоннской национальной лаборатории, Принстонского университета и Университета штата Пенсильвания.
Результаты этого междисциплинарного исследования были недавно опубликованы в престижном научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
В качестве наглядной демонстрации контроля над поведением материала исследователи, используя полученные знания о влиянии ряби, смогли изогнуть тонкую пленку, придав ей форму «наноскопических цветов». Это показывает потенциал управления формой и свойствами материалов на наноуровне.
