Galliumnitrid (GaN) har framträtt som ett av de viktigaste och mest använda halvledande materialen. Dess optoelektroniska och mekaniska egenskaper gör den idealisk för en mängd olika applikationer, inklusive lysdioder (lysdioder), högtemperatur transistorer, sensorer och biokompatibla elektroniska implantat hos människor.
Under 2014, tre japanska forskare vann Nobelpriset i fysik för att ha upptäckt GaN:s kritiska roll för att generera blått LED -ljus, som krävs, i kombination med rött och grönt ljus, för att producera vita LED -ljuskällor.
Nu, fyra Lehigh -ingenjörer har rapporterat en tidigare okänd egendom för GaN:Dess slitstyrka närmar sig diamanternas och lovar att öppna applikationer på pekskärmar, rymdfarkoster och radiofrekventa mikroelektromekaniska system (RF MEMS), som alla kräver höghastighet, högvibrationsteknik.
Forskarna rapporterade sina fynd i augusti i Tillämpad fysikbokstäver ( APL ) i en artikel med titeln "Ultralåg slitage av galliumnitrid." Artikelns författare är Guosong Zeng, en doktorsexamen kandidat i maskinteknik; Nelson Tansu, Daniel E. '39 och Patricia M. Smith begåvad ordförandeprofessor på avdelningen för el- och datateknik, och direktör för Center for Photonics and Nanoelectronics (CPN); Brandon A. Krick, biträdande professor i maskinteknik och mekanik; och Chee-Keong Tan '16 Ph.D., nu biträdande professor i el- och datateknik vid Clarkson University.
GaN:s elektroniska och optiska egenskaper har studerats utförligt i flera decennier, sa Zeng, huvudförfattaren till APL -artikeln, men praktiskt taget inga studier har gjorts av dess tribologiska egenskaper, det är, dess motståndskraft mot det mekaniska slitage som åstadkommes genom fram- och återgående glidning.
"Vår grupp är den första som undersöker slitstyrkan hos GaN, "sa Zeng." Vi har funnit att dess slitstyrka närmar sig diamanternas, det hårdaste materialet man känner till. "
Slitthastigheten uttrycks i negativa kubikmillimeter Newtonmeter (Nm). Priset för krita, som har praktiskt taget inget slitstyrka, är i storleksordningen 10 2 mm3/Nm, medan diamanternas mellan 10-9 och 10-10, gör diamanter åtta storleksordningar mer slitstarka än krita. Hastigheten för GaN varierar från 10¬-7 till 10-9, närmar sig slitstyrkan hos diamanter och tre till fem storleksordningar mer slitstark än kisel (10-4).
Lehigh -forskarna mätte slitstyrkan och friktionskoefficienterna för GaN med hjälp av en anpassad mikrotribometer för att utföra torrglidande slitageexperiment. De blev förvånade över resultaten.
"När man utför mätningar av okänt material, "skrev de i APL, "vi brukar glida för 1, 000 cykler, mät sedan slitningsärren; [dessa] experiment måste ökas till 30, 000 fram- och återgående cykler för att vara mätbara med vår optiska profilometer.
"Det stora utbudet av slitage (ungefär två storleksordningar) ... kan ge insikt i GaN:s slitmekanismer."
Det intervallet i slitstyrka, sa forskarna, orsakas av flera faktorer, inklusive miljö, kristallografisk riktning och, framförallt, fuktighet.
"Första gången vi observerade den ultralåga slitstyrkan för GaN var på vintern, "sa Zeng." Dessa resultat kunde inte replikeras på sommaren, när materialets slitstyrka ökade med två storleksordningar. "
För att avgöra hur den högre sommarfuktigheten påverkade GaN:s slitprestanda, forskarna lägger sin tribometer i en handskfack som kan fyllas på med antingen kväve eller fuktig luft.
"Vi observerade att när vi ökade luftfuktigheten i handskfacket, vi ökade också slitaget på GaN, sa Zeng.
Zeng höll en presentation om Lehigh -projektet i oktober på International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2016) i Orlando, Florida. Sessionen vid vilken han talade fick titeln "Slitage på nitridmaterial och egenskaper hos GaN-baserade strukturer." Zeng var en av sju presentatörer vid sessionen och den enda som diskuterade slitegenskaperna hos GaN och andra III-Nitride-material.
Tansu, som har studerat GaN i mer än ett decennium, och Krick, en expert på tribologi, blev nyfiken på GaNs prestanda för flera år sedan när de diskuterade sina forskningsprojekt efter ett Lehigh -fakultetsmöte.
"Nelson frågade mig om någon någonsin hade undersökt friktions- och slitageegenskaperna hos galliumnitrid, "sa Krick, "och jag sa att jag inte visste. Vi kollade senare och hittade ett vidsträckt fält."
Tansu sa att gruppens upptäckt av GaN:s hårdhet och slitstyrka kan ha en dramatisk effekt på de elektroniska och digitala enhetens industrier. I en enhet som en smartphone, han sa, de elektroniska komponenterna finns under en skyddande beläggning av glas eller safir. Detta medför potentiella kompatibilitetsproblem som kan undvikas med GaN.
"Slitstyrkan hos GaN, "sa Tansu, "ger oss möjlighet att ersätta flera lager i en typisk halvledarenhet med ett lager av ett material som har utmärkta optiska och elektriska egenskaper och är också slitstark.
"Med GaN, du kan bygga en hel enhet i en plattform utan flera lager av teknik. Du kan integrera elektronik, ljussensorer och ljussändare och har fortfarande en mekaniskt robust enhet. Detta kommer att öppna ett nytt paradigm för att designa enheter. Och eftersom GaN kan göras väldigt tunn och fortfarande stark, det kommer att påskynda övergången till flexibel elektronik. "
Förutom dess oväntat goda slitstyrka, sa Zeng, GaN har också en gynnsam strålningshårdhet, vilket är en viktig egenskap för solcellerna som driver rymdfarkoster. I yttre rymden, dessa solceller stöter på stora mängder mycket fint kosmiskt damm, tillsammans med röntgen- och gammastrålning, och kräver därför en slitstark beläggning, som i sin tur måste vara kompatibel med cellens elektroniska kretsar. GaN ger den nödvändiga hårdheten utan att införa kompatibilitetsproblem med kretsarna.
Lehigh -gruppen har börjat samarbeta med Bruce E. Koel, en expert på ytkemi och professor i kemisk och biologisk teknik vid Princeton University, för att få en bättre förståelse för växelverkan mellan GaN och vatten under kontakt. Koel var tidigare kemiprofessor och vice president för forskning och forskarutbildning vid Lehigh.
För att bestämma utvecklingen av slitage med GaN, gruppen har utsatt GaN för påfrestningar genom att köra bildtest där glidavståndet och motsvarande antal cykler varieras. Gruppen använder sedan en röntgenfotoelektronspektrometer (XPS), som kan identifiera grundkompositionen för de första 12 nanometrarna på en yta, för att skanna den oanvända ytan av GaN, ärret skapat av bildmaskinen, och slitpartiklarna avsatta av glidmaskinen på vardera sidan av ärret.
Gruppen planerar att använda aberrationskorrigerad transmissionselektronmikroskopi för att undersöka gitter av atomer under ärret. Under tiden, de kommer att simulera ett test där gallret är ansträngt med vatten för att observera variationer som orsakas av deformerande energi.
"Detta är ett mycket nytt experiment, "sa Zeng." Det kommer att göra det möjligt för oss att se dynamisk ytkemi genom att titta på den kemiska reaktion som uppstår när du applicerar skjuvning, drag- eller trycktryck mot ytan av GaN. "
