Forskere overraskede over den uventede hårdhed af galliumnitrid

Galliumnitrid (GaN) er fremstået som et af de vigtigste og mest udbredte halvledende materialer. Dens optoelektroniske og mekaniske egenskaber gør den ideel til en række forskellige applikationer, herunder lysdioder (lysdioder), høj temperatur transistorer, sensorer og biokompatible elektroniske implantater hos mennesker.

I 2014, tre japanske forskere vandt Nobelprisen i fysik for at opdage GaNs afgørende rolle i at generere blåt LED -lys, som er påkrævet, i kombination med rødt og grønt lys, at producere hvide LED lyskilder.

Nu, fire ingeniører fra Lehigh har rapporteret en tidligere ukendt ejendom for GaN:Dens slidstyrke nærmer sig diamanters og lover at åbne applikationer på berøringsskærme, rumfartøjer og radiofrekvente mikroelektromekaniske systemer (RF MEMS), som alle kræver høj hastighed, højvibrationsteknologi.

Forskerne rapporterede deres fund i august i Anvendt fysik bogstaver ( APL ) i en artikel med titlen "Ultralow slid af galliumnitrid." Artikels forfattere er Guosong Zeng, en ph.d. kandidat i maskinteknik; Nelson Tansu, Daniel E. '39 og Patricia M. Smith begavet formandsprofessor i afdelingen for el- og computerteknik, og direktør for Center for Fotonik og Nanoelektronik (CPN); Brandon A. Krick, adjunkt i maskinteknik og mekanik; og Chee-Keong Tan '16 Ph.D., nu adjunkt i el- og computerteknik ved Clarkson University.

GaNs elektroniske og optiske egenskaber er blevet undersøgt grundigt i flere årtier, sagde Zeng, hovedforfatteren af ​​APL -artiklen, men der er stort set ikke foretaget undersøgelser af dets tribologiske egenskaber, det er, dets modstandsdygtighed over for det mekaniske slid, der påføres ved frem- og tilbagegående glidning.

"Vores gruppe er den første til at undersøge slidydelsen af ​​GaN, "sagde Zeng." Vi har fundet ud af, at dens slidhastighed nærmer sig diamanters, det hårdeste materiale, man kender. "

Slidhastigheden udtrykkes i negative kubikmillimeter Newtonmeter (Nm). Satsen for kridt, som næsten ikke har slidstyrke, er i størrelsesordenen 10 2 mm3/Nm, mens diamanten er mellem 10-9 og 10-10, gør diamanter otte størrelsesordener mere slidstærke end kridt. Satsen for GaN varierer fra 10¬-7 til 10-9, nærmer sig slidstyrke af diamanter og tre til fem størrelsesordener mere slidstærke end silicium (10-4).

Lehigh -forskerne målte slidhastigheden og friktionskoefficienterne for GaN ved hjælp af et tilpasset mikrotribometer til at udføre tørt glidende slidforsøg. De blev overraskede over resultaterne.

"Ved udførelse af slidmålinger af ukendte materialer, "de skrev i APL, "vi glider typisk for 1, 000 cykler, derefter måle slid ar; [disse] forsøg skulle øges til 30, 000 frem- og tilbagegående cykler for at være målbare med vores optiske profilometer.

"Det store interval i slidhastigheder (ca. to størrelsesordener) ... kan give indsigt i slidmekanismerne for GaN."

Det område i slidstyrke, sagde forskerne, skyldes flere faktorer, herunder miljø, krystallografisk retning og især, fugtighed.

"Første gang vi observerede den ultralave slidhastighed for GaN var om vinteren, "sagde Zeng." Disse resultater kunne ikke gentages om sommeren, når materialets slidhastighed steg med to størrelsesordener. "

For at bestemme, hvordan den højere sommerfugtighed påvirkede GaNs slidstyrke, forskerne lagde deres tribometer i en handskerum, der kan fyldes med enten nitrogen eller fugtig luft.

"Vi observerede, at da vi øgede fugtigheden inde i handskerummet, vi øgede også slidhastigheden for GaN, "sagde Zeng.

Zeng holdt en præsentation om Lehigh -projektet i oktober på International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2016) i Orlando, Florida. Sessionen, hvor han talte, havde titlen "Slid af nitridmaterialer og egenskaber ved GaN-baserede strukturer." Zeng var en af ​​syv oplægsholdere på sessionen og den eneste, der diskuterede slidegenskaberne for GaN og andre III-Nitride-materialer.

Tansu, der har studeret GaN i mere end et årti, og Krick, en ekspert i tribologi, blev nysgerrig efter GaN's slidpræstationer for flere år siden, da de diskuterede deres forskningsprojekter efter et Lehigh -fakultetsmøde.

"Nelson spurgte mig, om nogen nogensinde havde undersøgt gnidnings- og slidegenskaberne ved galliumnitrid, sagde Krick, "og jeg sagde, at jeg ikke vidste det. Vi tjekkede senere og fandt et vidtrækkende felt."

Tansu sagde, at gruppens opdagelse af GaN's hårdhed og slidstyrke kunne have en dramatisk effekt på de elektroniske og digitale enhedsindustrier. I en enhed som en smartphone, han sagde, de elektroniske komponenter er anbragt under en beskyttende belægning af glas eller safir. Dette udgør potentielle kompatibilitetsproblemer, som kunne undgås ved at bruge GaN.

"Slidstyrken hos GaN, "sagde Tansu, "giver os mulighed for at udskifte de flere lag i en typisk halvlederanordning med et lag lavet af et materiale, der har fremragende optiske og elektriske egenskaber og også er slidstærk.

"Ved hjælp af GaN, du kan bygge en hel enhed på en platform uden flere lag teknologier. Du kan integrere elektronik, lyssensorer og lysemittere og har stadig en mekanisk robust enhed. Dette åbner et nyt paradigme for design af enheder. Og fordi GaN kan gøres meget tynd og stadig stærk, det vil fremskynde overgangen til fleksibel elektronik. "

Ud over den uventet gode slidstyrke, sagde Zeng, GaN har også en gunstig strålingshårdhed, som er en vigtig egenskab for de solceller, der driver rumfartøjer. I det ydre rum, disse solceller støder på store mængder meget fint kosmisk støv, sammen med røntgenstråler og gammastråler, og kræver derfor en slidstærk belægning, som igen skal være kompatibel med cellens elektroniske kredsløb. GaN giver den nødvendige hårdhed uden at indføre kompatibilitetsproblemer med kredsløbet.

Lehigh -gruppen er begyndt at samarbejde med Bruce E. Koel, en overfladekemisk ekspert og professor i kemisk og biologisk teknik ved Princeton University, at få en bedre forståelse af interaktionen mellem GaN og vand under kontakt. Koel var tidligere kemiprofessor og vicepræsident for forskning og kandidatstudier i Lehigh.

For at bestemme udviklingen af ​​slid med GaN, gruppen har udsat GaN for spændinger ved at køre diasetest, hvor diasafstanden og det tilsvarende antal cyklusser varieres. Gruppen anvender derefter et røntgenfotoelektronspektrometer (XPS), som kan identificere elementarsammensætningen af ​​de første 12 nanometer på en overflade, at scanne den ubrugte overflade af GaN, ar oprettet af diasmaskinen, og slidpartiklerne aflejret af glidemaskinen på hver side af arret.

Gruppen planlægger ved siden af ​​at bruge aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskopi til at undersøge gitteret af atomer under arret. I mellemtiden, de vil simulere en test, hvor gitteret er anstrengt med vand for at observere variationerne forårsaget af deformerende energi.

"Dette er et helt nyt eksperiment, "sagde Zeng." Det vil gøre os i stand til at se dynamisk overfladekemi ved at se den kemiske reaktion, der opstår, når du anvender forskydning, træk- eller tryktryk til overfladen af ​​GaN. "