Forskare vid Delfts tekniska universitet, ledda av biträdande professor Richard Norte, har avslöjat ett anmärkningsvärt nytt material med potential att påverka materialvetenskapens värld:amorf kiselkarbid (a-SiC). Utöver sin exceptionella styrka uppvisar detta material mekaniska egenskaper som är avgörande för vibrationsisolering på ett mikrochip. Amorf kiselkarbid är därför särskilt lämplig för tillverkning av ultrakänsliga mikrochipsensorer.
Studien publiceras i tidskriften Advanced Materials .
Utbudet av potentiella tillämpningar är stort. Från ultrakänsliga mikrochipssensorer och avancerade solceller till banbrytande rymdutforskning och DNA-sekvenseringsteknik. Fördelarna med detta materials styrka i kombination med dess skalbarhet gör det exceptionellt lovande.
"För att bättre förstå den avgörande egenskapen hos 'amorf', tänk på att de flesta material består av atomer arrangerade i ett regelbundet mönster, som ett intrikat byggt Lego-torn," förklarar Norte. "De här kallas "kristallina" material, som till exempel en diamant. Den har kolatomer som är perfekt inriktade, vilket bidrar till dess berömda hårdhet."
Emellertid är amorfa material besläktade med en slumpmässigt staplad uppsättning av lego, där atomer saknar konsekvent arrangemang. Men tvärtemot förväntningarna leder denna randomisering inte till skörhet. Faktum är att amorf kiselkarbid är ett bevis på styrka som uppstår ur sådan slumpmässighet.
Draghållfastheten för detta nya material är 10 GigaPascal (GPa). "För att förstå vad detta betyder, föreställ dig att du försöker sträcka en bit tejp tills den går sönder. Om du nu vill simulera en dragpåkänning motsvarande 10 GPa, måste du hänga upp ett tiotal medelstora bilar. för att avsluta den remsan innan den går sönder", säger Norte.
Forskarna antog en innovativ metod för att testa materialets draghållfasthet. Istället för traditionella metoder som kan införa felaktigheter i hur materialet är förankrat, vände de sig till mikrochipsteknik. Genom att odla filmerna av amorf kiselkarbid på ett kiselsubstrat och suspendera dem, utnyttjade de nanosträngarnas geometri för att inducera höga dragkrafter.
Genom att tillverka många sådana strukturer med ökande dragkrafter observerade de noggrant punkten för brott. Detta mikrochipbaserade tillvägagångssätt säkerställer inte bara oöverträffad precision utan banar också väg för framtida materialtester.
Varför fokus på nanosträngar? "Nanosträngar är grundläggande byggstenar, själva grunden som kan användas för att konstruera mer intrikata upphängda strukturer. Att demonstrera hög sträckgräns i en nanosträng översätts till att visa upp styrka i dess mest elementära form."
Och det som slutligen skiljer detta material åt är dess skalbarhet. Grafen, ett enda lager av kolatomer, är känt för sin imponerande styrka men är utmanande att producera i stora mängder. Diamanter, även om de är oerhört starka, är antingen sällsynta till sin natur eller dyra att syntetisera. Amorf kiselkarbid, å andra sidan, kan produceras i wafer-skala, och erbjuder stora ark av detta otroligt robusta material.
"Med uppkomsten av amorf kiselkarbid står vi vid tröskeln till mikrochipforskning fylld av tekniska möjligheter", avslutar Norte.
Mer information: Minxing Xu et al, High-Strength Amorphous Silicon Carbide for Nanomechanics, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202306513
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Delft University of Technology
