Киригами допомогло вирізати з нітрида кремнію нанорозмірні рухомі «пелюстки»

Американські матеріалознавці навчилися створювати за допомогою техніки киригами нанорозмірні структури з елементами, що згинаються. Вони виявили і описали залежність поведінки цих елементів від параметрів вирізу, в тому числі симетричність їх руху. Потенційно результати можна використовувати для створення мікроелектромеханічних пристроїв, розповідають автори статті в.

Кіригами - це метод створення об'ємних фігур з одного аркуша паперу за допомогою надрізів і вигинів у потрібних місцях без використання клею або додаткових аркушів. Вчені та інженери багато разів використовували метод у своїх розробках, наприклад, для розтягування конструкцій без шкоди їх властивостям. У фігур кіригами є й інші особливості: у деяких фігурах через надрізи утворюються фрагменти, які можуть рухатися при розтягненні листа або інших впливах, наприклад, опроміненні іонами.

Як правило, у таких статтях автори використовують основні рушійні елементи за розміром непорівнянні з товщиною аркуша. Американські вчені під керівництвом Орасіо Еспіноса (Horacio Espinosa) з Північно-Західного університету і Даніеля Лопеза (Daniel Lopez) з Університету штату Пенсільванія описали метод створення і властивості кіригами структур, в яких, на відміну від попередніх подібних робіт, розміри надрізів і ключових вузлів мають приблизно такі ж розміри, як і товщина листа. Як модельну структуру автори вибрали схему, що складається з двох П-подібних і двох Т-подібних вирізів, розташованих на аркуші один навпроти одного:

Така структура складається тільки з лінійних поздовжніх і перпендикулярних (в площині аркуша) надрізів, тому її досить просто створити, використовуючи метод фокусованого іонного пучка, при якому потужний потік іонів з високою енергією вибиває атоми з матеріалу і тим самим створює виріз. Вчені використовували напилені листи з нітриду кремнію товщиною 50, 100 і 200 нанометрів і розміром 100 на 100 мікрометрів.

Вони вирізали кілька структур з фіксованою шириною П-подібного вирізу в 100 нанометрів, товщиною 100 нанометрів і шириною петлі в 457 нанометрів, але змінною шириною центральної частини Т-подібного вирізу, що варіюється від 243 нанометрів до 4,35 мікрометра. Оскільки в пластині на момент її напилення утворилися внутрішні напруги величиною 400-500 мегапаскалей, після створення надрізів елементи самопровільно приходили в рух і поверталися відносно площини. Вчені виявили, що зразки повертаються різним чином: у тих, у яких товщина вирізу була великою, «пелюстки» поверталися симетрично в один бік відносно площини, а у тих, в яких товщина була найменшою, вони поверталися асиметрично:

Створивши кілька сотень зразків з різною товщиною вирізу, автори підтвердили залежність поведінки «пелюсток» від ширини вирізу. Застосувавши метод кінцевих елементів, вони також з'ясували, що залежність практично лінійна і включає в себе не тільки ширину вирізу, але і ширину петлі, що з'єднує П-подібні і Т-подібні вирізи. Крім того, рух «пелюсток» активується не в будь-якому випадку, а тільки при пороговій товщині пластини: при 100 нанометрах «пелюстки» рухаються після вирізання, а при 200 нанометрах вже немає.

Автори зазначають, що оскільки стаття присвячена поведінці структур на стику нанометрового та мікрометрового масштабу, результати можуть стати в нагоді при створенні актуаторів у мікроелектромеханічних пристроях. Наприклад, напругу в площині можна задавати не на етапі створення пластини, а пізніше, і тим самим керувати рухом «пелюсток», що можна використовувати в мікророзмірних захопленнях та інших механічних пристроях.

Мікроелектромеханічні системи - одна з великих областей матеріалознавства і технологій останніх років. По-перше, тому що це дозволяє вмістити складні датчики, наприклад, гіроскопи, в невеликому обсязі. А по-друге, тому що це красиво - оцінити це можна в нашому матеріалі-галереї «Коли менше - краще».