Gerilme Tabanlı Kendiliğinden Birleşme:Mikro Nano Entegrasyonunda Kırılma Mekaniği Uygulamaları

Abstract

Katmanlı yapılarda gözlemlenen kırılma, yapı üzerinde etkili olan mekanik gerilimlerin doğasına bağlı olarak çeşitli çatlak şekillerine yol açmaktadır. Çatlakların gerek açıklıkları gerek yönleri, tamamen katmanlı yapı özellikleri ve gerilimlerin uygulanış biçimine bağlı olarak numuneden numuneye tekrar edilebilir şekilde gözlemlenebilir. Bunun sonucunda gerilimleri kontrol ederek çatlak yönlerini tayin etme fırsatı ortaya çıkmaktadır. Yön tayini, ilk önce tek kristal yapıya sahip Si alttaş üzerindeki ince SiO2 kaplamalarında gösterilmiştir. Alttaşın derin reaktif iyon aşındırması gibi tekniklerle mikro boyutta şekillendirilmesi ile tayin edilen gerilim dağılımı, aynı anda binlerce çatlağın deterministik bir şekilde oluşmasını sağlamaktadır. Ayrıca çatlak açıklıklarının nano mertebesinde olması ve çatlağın SiO2 ve Si arayüzünde durması sayesinde, çatlakların ikinci bir malzeme ile doldurulmaları, nanotel imalatını mümkün kılmaktadır. Böylece çatlak ağı, bir nanotel ağına dönüştürülür. Yonga üzerinde her çatlağın başlangıç noktasının koordinatı ve yönü bilindiği için üst yapıların litografi kullanılarak bu nanotel ağına göre hizalanması mümkün olmaktadır. Bu tür bir sistem entegrasyonu, mikro bir tahrik mekanizmasının iki nanotele göre hizalanarak imaline dayalı bir cımbız cihazının bünyesinde gerçekleştirilmiştir. Çalışma, nanoteknolojinin büyük ihtiyaçlarından biri olan, nano yapıların kontrollü imalatına yönelik olup, uygulamalı mekaniğin bu alanda üstlenebileceği role işaret etmektedir.

Various crack patterns are observed in multilayers depending on the nature of applied stresses. Crack opening and propagation paths can be obtained in a repeatable fashion if multilayer material properties and the stress state are precisely controlled. This leads to the possibility of dictating crack paths by controlling the stress state, which was first demonstrated on SiO2-coated Si samples. By patterning the Si substrate through deep reactive ion etching one can determine the distribution of stresses and dictate the simultaneous formation of thousands of cracks. Furthermore, since crack openings are at nanoscale and they arrest at the substrate/thin film interface, one can fill the cracks with a second material and obtain nanowires. Hence, a network of cracks is transformed into a network of nanowires. Since one knows the coordinates of the initiation point of cracks and their orientation, one can easily align subsequent lithography steps with respect to the existing nanowires. This aspect of system integration is demonstrated in the case of a gripper device with two nanoscale endeffectors attached at the tip of a microscale actuator. The study addresses the issue of controlled fabrication of nanostructures, one of the main issues faced by nanotechnology, and the role that applied mechanics can play in this field.