ในตัวอย่างของสุภาษิตที่ว่า “ทุกสิ่งที่เก่ากลับเป็นของใหม่อีกครั้ง” วิศวกรของ MIT รายงานการค้นพบใหม่ในเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นวัสดุที่รู้จักกันดีซึ่งเป็นจุดสนใจของการศึกษาที่เข้มข้นมากว่า 100 ปี ด้วยการใช้งานมากมายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ทีมงานพบว่าวัสดุที่สำคัญเหล่านี้ไม่เพียงแต่จะแข็งขึ้นมากเมื่อตอบสนองต่อแสงเท่านั้น แต่เอฟเฟกต์จะย้อนกลับได้เมื่อปิดไฟ วิศวกรยังอธิบายด้วยว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับอะตอม และแสดงให้เห็นว่าสามารถปรับเอฟเฟกต์ได้อย่างไรโดยการสร้างวัสดุในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง — ทำให้เกิดข้อบกพร่องเฉพาะ — และใช้สีและความเข้มของแสงที่แตกต่างกัน
“เรารู้สึกตื่นเต้นกับผลลัพธ์เหล่านี้เพราะเราได้ค้นพบทิศทางทางวิทยาศาสตร์ใหม่ในด้านอื่นที่ดีมาก นอกจากนี้ เราพบว่าปรากฏการณ์นี้อาจมีอยู่ในสารประกอบอื่นๆ อีกมากมาย” Rafael Jaramillo รองศาสตราจารย์ Thomas Lord ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมที่ MIT และหัวหน้าทีมกล่าว
Ju Li ศาสตราจารย์ MIT อีกคนที่เกี่ยวข้องกับงานนี้กล่าวว่า “การได้เห็นข้อบกพร่องที่มีผลกระทบอย่างมากต่อการตอบสนองแบบยืดหยุ่นนั้นน่าแปลกใจมาก ซึ่งเปิดประตูสู่การใช้งานที่หลากหลาย การคำนวณสามารถช่วยเราคัดกรองวัสดุดังกล่าวได้อีกมากมาย” Li เป็นศาสตราจารย์ Battelle Energy Alliance ในสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมนิวเคลียร์ (NSE) โดยได้รับการแต่งตั้งร่วมกันในภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ (DMSE) ทั้งจารามิลโลและหลี่ต่างก็มีส่วนเกี่ยวข้องกับห้องปฏิบัติการวิจัยวัสดุด้วย
งานนี้ได้รับการรายงานในPhysical Review Letters ฉบับ วัน ที่3 สิงหาคม กระดาษผลลัพธ์ถูกเน้นเป็นข้อเสนอแนะของบรรณาธิการ นอกจากนี้ยังเป็นจุดสนใจของบทสรุปประกอบสำหรับนิตยสารฟิสิกส์เรื่อง “Semiconductors in the Spotlight” โดย Sophia Chen
ผู้เขียนบทความเพิ่มเติม ได้แก่ Jiahao Dong และ Yifei Li นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ DMSE ที่มีส่วนร่วมในการทำงานอย่างเท่าเทียมกัน Yuying Zhou, DMSE มาเยี่ยมนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก Shanghai Institute of Applied Physics; Alan Schwartzman นักวิทยาศาสตร์การวิจัย DMSE; Haowei Xu นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาใน NSE; และ Bilal Azhar นักศึกษาระดับปริญญาตรี DMSE ที่สำเร็จการศึกษาในปี 2020
ปัญหากวนใจ
Jaramillo จำได้ว่ารู้สึกทึ่งกับกระดาษปี 2018 ในScienceที่แสดงให้เห็นว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำจากสังกะสีซัลไฟด์จะเปราะมากขึ้นเมื่อสัมผัสกับแสงได้อย่างไร “เมื่อ [นักวิจัย] ฉายแสงบนมัน มันทำตัวเหมือนแครกเกอร์ มันตะครุบ เมื่อพวกเขาปิดไฟ มันก็ทำตัวเหมือนหมีเหนียวหนึบ ซึ่งสามารถบีบมันได้โดยไม่แตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย”
ทำไม Jaramillo และเพื่อนร่วมงานตัดสินใจค้นหา
ระหว่างทาง ทีมงานไม่เพียงแต่ทำซ้ำ งาน Scienceเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นว่าเซมิคอนดักเตอร์เปลี่ยนความยืดหยุ่น ซึ่งเป็นรูปแบบของความแข็งทางกลเมื่อสัมผัสกับแสง
“คิดถึงลูกบอลที่เด้งดึ๋งๆ” จารามิลโลกล่าว “สาเหตุที่มันเด้งก็เพราะว่ามันยืดหยุ่นได้ เมื่อคุณโยนมันลงบนพื้น มันจะเสียรูปแต่จากนั้นก็เด้งกลับทันที (นั่นคือสาเหตุที่มันกระเด้ง) สิ่งที่เราค้นพบซึ่งค่อนข้างน่าแปลกใจก็คือคุณสมบัติความยืดหยุ่น [ของเซมิคอนดักเตอร์] สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากภายใต้แสงสว่าง และการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถย้อนกลับได้เมื่อปิดไฟ”
เกิดอะไรขึ้น
ในงานปัจจุบัน ทีมงานได้ทำการทดลองต่างๆ กับสังกะสีซัลไฟด์และสารกึ่งตัวนำอีก 2 ชนิด โดยทำการวัดความแข็งของวัสดุภายใต้สภาวะต่างๆ เช่น ความเข้มของแสง โดยใช้เทคนิคที่มีความละเอียดอ่อนที่เรียกว่า nanoindentation ในเทคนิคนั้น ปลายเพชรเคลื่อนผ่านพื้นผิวของวัสดุจะบันทึกว่าต้องใช้แรงมากเพียงใดในการดันหมุดเข้าไปที่พื้นผิว 100 นาโนเมตรหรือหนึ่งในพันล้านเมตร
พวกเขายังทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับสิ่งที่อาจเกิดขึ้นในระดับอะตอม ค่อยๆ พัฒนาทฤษฎีสำหรับสิ่งที่เกิดขึ้น พวกเขาค้นพบว่าข้อบกพร่องหรืออะตอมที่หายไปในวัสดุมีบทบาทสำคัญในการตอบสนองทางกลของวัสดุต่อแสง
“ตำแหน่งงานว่างเหล่านี้ทำให้โครงผลึกของวัสดุอ่อนตัวลงเนื่องจากอะตอมบางตัวอยู่ห่างกัน คิดถึงคนบนรถใต้ดิน ง่ายกว่าที่จะบีบผู้คนจำนวนมากขึ้นหากมีช่องว่างที่ใหญ่กว่าระหว่างพวกเขา” จารามิลโลกล่าว
“ภายใต้แสงสว่าง อะตอมที่มีอยู่จะตื่นเต้นและขับไล่มากขึ้น ราวกับว่าคนบนรถใต้ดินเริ่มเต้นและเหวี่ยงแขนไปรอบๆ ทันที” เขากล่าวต่อ ผลลัพธ์: อะตอมต้านทานการรวมตัวกันอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น และวัสดุมีความแข็งทางกลไกมากขึ้น
ทีมงานค้นพบอย่างรวดเร็วว่าพวกเขาสามารถปรับความแข็งนั้นได้โดยการเปลี่ยนความเข้มและสีของแสง และโดยวิศวกรรมข้อบกพร่องเฉพาะของวัสดุ จารามิลโลกล่าวว่า “เป็นเรื่องที่ดีเมื่อคุณสามารถลดสิ่งที่เป็นวิศวกรรมข้อบกพร่องได้ เพราะจากนั้นคุณสามารถเชื่อมต่อกับความสามารถหลักของนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุอย่างใดอย่างหนึ่ง ซึ่งควบคุมข้อบกพร่อง” จารามิลโลกล่าว “นั่นเป็นสิ่งที่เราทำเพื่อหาเลี้ยงชีพ”
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ
