Materialforschung Mach die Biege

Im Dunkeln zeigt der Halbleiter Zinksulfid eine erstaunliche Eigenschaft. Statt unter Druck zu zerbrechen, gibt das Material nach und wird knetbar. Das eröffnet eine Vielzahl neuer Einsatzmöglichkeiten, zum Beispiel in flexiblen Elektronikmodulen.

Silizium und andere anorganische Halbleiterkristalle zerbrechen bei Belastung sehr leicht. Für die Entwicklung flexibler Elektronikmodule sind sie deshalb schwer einsetzbar. Nun haben japanische Materialforscher entdeckt, dass sich der Halbleiter Zinksulfid bei absoluter Dunkelheit verblüffend stark verformen lässt, ohne dabei zu zerbröseln. Wie sie in Science berichten, ließen sich Zinksulfidkristalle unter starkem Druck fast um die Hälfte ihrer ursprünglichen Größe zusammendrücken. Diese Entdeckung könnte nun zu einer neuen Klasse vielseitig verwendbarer Halbleiterkristalle führen.

Die Wissenschaftler wählten als Probenmaterial kleine, durchsichtige Zinksulfidquader. In zahlreichen Versuchen in Dunkelheit und im Hellen analysierten sie die verblüffenden Strukturänderungen mit einfachen Licht- und auch hochauflösenden Elektronenmikroskopen. Unter weißem oder ultraviolettem Licht setzten sie die Kristalle einem Druck von bis zu 80 Megapascal aus. Dabei zerbrach der Kristall wie erwartet bereits nach einer geringen Verformung von wenigen Prozent. Doch im Dunkeln wandelten sich die mechanischen Eigenschaften drastisch. Der Kristall reagierte unter einem höheren Druck von bis 100 Megapascal mit einer plastischen Verformung von bis zu 45 Prozent. Bei Helligkeit verlor der Kristall diese große Plastizität wieder und zerbröselte.

Die Ursache für dieses überraschende Verhalten fanden Atsutomo Nakamura vom Materials Design Laboratory der Nagoya University und seine Kollegen in der Anordnung und Beweglichkeit von Gitterfehlern im Kristall. Unter einer Druckbelastung zeigten die Gitterfehler große Beweglichkeit innerhalb des Kristallgitters. In völliger Dunkelheit konnten sie aneinander vorbeigleiten und so einen Kollaps der Kristallstruktur vermeiden. Dieser photoplastische Effekt wirkte sich ebenfalls auf die optischen und elektronischen Eigenschaften des Zinksulfids aus: unter Druck färbte sich der sonst farblose Kristall gelb.