Så småningom, din telefonladdare kommer att dö.

Månad efter månad när jag trycks och dras in och ut ur porten försämrar den skyddande filmen som täcker kontakten. Och då, oftast när du behöver det som mest, din laddare sparkar det, din telefon följer snart, och livet som du känner det blir ogjort. I alla fall ett tag.

Denna oundvikliga uppdelning händer naturligtvis med allt, från industrisystem till fordon till nanoelektronik. Friktion får delar att dra mot varandra, som slösar bort energi och sliter ut material.

Faktiskt, dessa förluster på grund av friktion beräknas kosta utvecklade länder 0,5 till 7 procent av deras årliga BNP. En rapport från Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) säger att bättre tribologiska metoder kan spara en kvadrillion BTU per år, eller motsvarande cirka 1 procent av USA:s årliga energiförbrukning. (Tribologi är studier och tillämpning av friktionsprinciperna, smörjning, och slitage.)

En sådan praxis är att skapa starkare, mer slitstarka skyddsfilmer. I ett tvärvetenskapligt samarbete, Forskare vid Lehigh University Dr Nicholas Strandwitz och Dr. Brandon Krick som är på fakulteten vid Lehighs P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science och ansluten till universitetets Institute for Functional Material and Devices (I-FMD), tror att de har upptäckt det svåraste, tunnast, mest slitstarka beläggningar hittills-plasmaförstärkt atomskikt avsatt titan- och vanadiumnitrider.

"Detta nya material slår kommersiella beläggningar med storleksordningar i slitstyrka, säger Krick.

I augusti 2018, National Science Foundation (NSF) beviljade Strandwitz, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik, och Krick, en biträdande professor i maskinteknik och mekanik, ett Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry (GOALI) -pris för att tillsammans med en branschpartner studera vad som just gör dessa nitridfilmer så bra.

Ett GOALI -pris stöder delade forskningsintressen mellan akademiska och industriella partners. Det är tänkt att ytterligare kunskap som kan leda till genombrott i kritiska industriella behov. Priset varar i tre år, och sammanlagt över $ 500, 000. Finansiering för nitridprojektet började den 1 januari, 2019.

Låg temperatur, överensstämmelse, och precision ger en diamantliknande seghet

Titan- och vanadiumnitridfilmer är redan kända för att vara extremt hårda och slitstarka. Traditionellt, de växer genom förstoftning, pulserande laseravsättning, eller kemiska ångavsättningsmetoder. I ett första, gruppens samarbetspartners på Veeco/CNT odlade sina nitridfilmer med hjälp av plasma-förstärkt atomlager, eller PE-ALD. Veeco/CNT är en ledande leverantör av ALD -system baserade i Waltham, Massachusetts.

"I atomlageravsättning, du bygger ett lager av atomer åt gången, "säger Strandwitz." Det är en teknik som redan används inom mikroelektronik, som på dem i din telefon, där du kan behöva en film som är exakt tre nanometer tjock. Om filmen är fyra, eller två, nanometer tjock, din transistor switch fungerar inte. Och du har några miljarder transistorer i din telefon. "

Tekniken innebär en ångprocess som använder två eller flera självbegränsande kemiska reaktioner för att odla ett lager film åt gången. I detta fall, en titanprekursor går in i systemets kammare som en gas, reagerar med underlaget, och bildar ett monoskikt. Överskott av titan sugs ut, sedan den andra gasen, kväveplasma, pumpas in. Det binder till titan, och bildar ett andra monoskikt. Denna tvåstegsprocess upprepas tills filmen når önskad tjocklek.

Tekniken förstärks av en plasmagenerator, därav PE i PE-ALD.

"För odling av nitrider, du behöver mycket värmeenergi, typ 800 grader Celsius, "säger Strandwitz." Eller, du behöver en plasma för att göra kvävet mer reaktivt. Att generera plasma betyder att vi slår elektroner från kvävemolekylerna när de flyger runt i gasen, gör kvävet mer reaktivt så det kommer att binda till ytan och bli en del av filmen. Om du bara flyter kvävgas genom det, ingenting skulle hända eftersom N2 -molekylen är superstabil. Så med plasma, vi kan odla dessa filmer vid 50 grader Celsius, lite över rumstemperatur. "

Möjligheten att odla filmer vid den temperaturen är nyckeln. För höga temperaturer kan smälta känsliga material som plast och aluminium och göra till och med ganska stabila metaller sprödare, säger Strandwitz.

"Att ha möjlighet att sätta in vid låga temperaturer öppnar upp mer material som du kan lägga på, " han säger.

PE-ALD är också känt för sin överensstämmelse och precision. Till skillnad från avsättningstekniker som kan lämna hål eller skuggor, gaserna som används i PE-ALD säkerställer att hela ytan på ett substrat är täckt, oavsett dess form eller dess komplexitet. Och de självbegränsande reaktionerna säkerställer att täckning sker ett enda lager av molekyler åt gången-inte mer, inget mindre.

När Krick utförde preliminära tester av hårdhet och slitegenskaper för titan- och valdiumnitridfilmer som odlats med PE-ALD, han var imponerad av resultaten.

"Dessa filmer närmar sig slitstyrkan hos diamanter, "säger Krick." De är 100 gånger bättre än de kommersiella nitridbeläggningarna. Till exempel, om du försöker bära 10 nanometer, det skulle ta 50 cykler att glida fram och tillbaka för att slita så mycket i den kommersiella beläggningen. Det skulle ta 5, 000 med detta material. Allt är cykelberoende, hur länge något varar beror på hur många av dessa arbetscykler det går igenom. Så tänk på den kontakten i din telefonladdare. Något sådant kan gå från att bli uttjänt på ett år eller 18 månader, att aldrig slita ut under din livstid. "

Sänka hinder för upptäckt

Med GOALI -utmärkelsen Strandwitz och Krick kommer att arbeta med Veeco/CNT. I det tvärvetenskapliga teamet ingår Strandwitz vars expertis innefattar ALD och tunna filmer, Krick specialisten i tribologi, och samarbetspartners Mark Sowa på Veeco/CNT och Alexander Kozen vid United States Naval Research Laboratory, båda världsberömda forskare inom ALD -instrumentering och bearbetning. Teamet innehåller också en grupp begåvade doktorander och doktorander. Lehigh -studenter, inklusive NSF -stipendiat Tomas Babuska och Guosong Zeng, en doktorsexamen alun från Kricks lab som nu är på Lawrence Berkeley National Laboratory.

Forskarna kommer att odla filmerna medan Strandwitz team kommer att undersöka deras mikrostruktur och Kricks team kommer att mäta deras mekaniska egenskaper. De kommer att "vända vredet" som Strandwitz säger, på variabler som temperatur, mängden titan de använder i förhållande till vanadin, och användning av syre i filmerna.

Allt för att avgöra vad som gör dessa filmer så speciella.

"Om vi ​​vet varför de är så bra, vi kan designa ett nytt material som utnyttjar det ännu mer, "säger Strandwitz." Så om vi ville ha en film som hade vissa hårdhetsegenskaper eller slitegenskaper, om vi förstår hur systemet fungerar, vi kan ställa in det för det. "

De kan se många möjliga tillämpningar för filmerna-som också är korrosionsbeständiga superledare-särskilt i nanoelektromekaniska system (NEMS) och mikroelektromekaniska system (MEMS).

"Denna teknik är användbar för allt som har många små, rörliga delar som behöver riktigt tunna beläggningar, säger Strandwitz.

Det innehåller många saker på många områden:flyg, medicin, kommunikation, transport, försvar, industri. I stort sett allt som rör sig. Och när allt det här kan röra sig lättare och hålla längre, energianvändning och materialavfall minskar, gynnar både ekonomin och miljön.

"Det fantastiska är att vi har mätt många material i vårt labb och det här är överlägset det bästa, "säger Krick." Det är verkligen spännande att dyka in djupare och förstå varför det är så bra, och hur det kan användas för att faktiskt påverka dessa olika applikationer. "

Det är ingen överraskning att en sådan djupgående inverkan kräver sammanblandning av discipliner. Och det är möjligt att Strandwitz och Krick aldrig hade kommit så här långt om de inte var så bra samarbetspartners - och kompisar. De umgicks en dag när Strandwitz nämnde ett coolt material han forskade på, och ganska snart, Krick testade det i sitt labb.

"Jag tror att om vi alla arbetade i ett vakuum, ingen skulle någonsin ha mätt de mekaniska egenskaperna hos dessa filmer, "säger Krick." Jag skulle aldrig veta om denna avsättningsteknik. Materialen finns där, killarna på Veeco/CNT kan göra alla möjliga material, men utan den tvärvetenskapliga aspekten, du skulle aldrig veta vad de är bra för. Det minskar verkligen hinder för upptäckten. "