Wie man spröde Materialien bruchresistent macht

Leobener Werkstoffwissenschafter*innen entdecken eine neue Strategie, um spröde Materialien viel versagensresistenter zu machen. Der Trick: Sie klein machen!

Silizium steckt in vielen mikroelektrischen Komponenten (Adobe Stock: Fotografos)

Silizium steckt in vielen mikroelektrischen Komponenten (Adobe Stock: Fotografos)

Aus Erfahrung weiß man, dass sehr harte Werkstoffe dazu tendieren, sehr leicht zu zerbrechen. Neben vielen anderen Materialien gilt dies auch für Silizium, die Basis, auf der jede mikroelektronische Komponente aufgebaut ist. Chips aus Silizium stecken in jedem Mobiltelefon, in Steuerelementen von Autos und anderen elektronischen Geräten. Während die funktionellen Eigenschaften Silizium unverzichtbar machen, limitiert die niedrige Schadenstoleranz die Zuverlässlichkeit und Sicherheit im täglichen Gebrauch.

Kleinheit als Vorteil

Ein Team von Werkstoffwissenschaftler*innen des Lehrstuhls für Materialphysik am Department Werkstoffwissenschaften der Montanuniversität Leoben, des Erich Schmid Institutes für Werkstoffforschung der Österreichischen Adakemie der Wissenschaften und des Materials Centers Leoben haben nun entdeckt, dass eine Steigerung der Bruchzähigkeit für spröde Werkstoffe durch entsprechende Miniaturisierung erreicht werden kann.

Mithilfe von hochaufgelösten Nanoskalien-in-situ-Experimenten in Verbindung mit digitalen Zwillingen konnte eine Steigerung der Bruchzähigkeit von über 300 Prozent demonstriert werden. „Das sind extrem erfreuliche Nachrichten für mikro- und nanoelektronische Anwendungen, bei denen durch die fortschreitende Miniaturisierung Komponenten und Strukturen unaufhörlich schrumpfen. Unsere Erkenntnisse öffnen hier neue Wege, um die eingesetzten funktionellen Werkstoffe durch entsprechende Verkleinerung gleichzeitig versagensresistenter zu machen,“ erklärt Assoz.Prof. Dr. Daniel Kiener, Leiter der Forschungsgruppe.

Veröffentlichung

Diese zukunftsweisenden Ergebnisse wurden kürzlich in „Materials Today“, einem höchst angesehenen werkstoffwissenschaftlichen Journal, frei zugänglich veröffentlicht. Details zur Arbeit findet man unter:
In-situ TEM investigation of toughening in Silicon at small scales
I. Issa et al, Materials Today
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.009

Weitere Infos:

Assoz.Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Daniel Kiener
Lehrstuhl für Materialphysik, Department Werkstoffwissenschaften, Montanuniversität Leoben
E-Mail: daniel.kiener@unileoben.ac.at
Tel.: +43 3842 804 412

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