Tværfagligt samarbejde giver sværest, tyndeste belægninger endnu opdaget

Til sidst, din telefonoplader er ved at dø.

Måned efter måned at blive skubbet og trukket ind og ud af porten vil forringe den beskyttende film, der dækker stikket. Og så, normalt når du har mest brug for det, din oplader sparker den, din telefon følger snart efter, og livet, som du kender det, bliver ugjort. I hvert fald for et stykke tid.

Dette uundgåelige sammenbrud sker selvfølgelig med alt, fra industrielle systemer til køretøjer til nanoelektronik. Friktion får dele til at trække mod hinanden, som spilder energi og slider materialer.

Faktisk, disse tab på grund af friktion anslås at koste udviklede lande 0,5 til 7 procent af deres årlige BNP. En rapport fra Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) siger, at bedre tribologisk praksis kunne spare en kvadrillion BTU'er årligt, eller hvad der svarer til omkring 1 procent af USAs årlige energiforbrug. (Tribologi er studiet og anvendelsen af ​​friktionsprincipperne, smøring, og slid.)

En sådan praksis er at skabe stærkere, mere slidstærke beskyttelsesfilm. I et tværfagligt samarbejde, Lehigh University-forskerne Dr. Nicholas Strandwitz og Dr. Brandon Krick, der er på fakultetet ved Lehigh's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science og tilknyttet universitetets Institute for Functional Materials and Devices (I-FMD), tror de har opdaget det sværeste, tyndeste, mest slidbestandige belægninger endnu - plasmaforstærkede atomlag aflejrede titanium- og vanadiumnitrider.

"Dette nye materiale slår kommercielle belægninger med størrelsesordener i slidstyrke, "siger Krick.

I august 2018, National Science Foundation (NSF) bevilgede Strandwitz, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik, og Krick, en adjunkt i maskinteknik og mekanik, en Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry (GOALI)-pris for at arbejde sammen med en industripartner for at undersøge, hvad der præcist gør disse nitridfilm så gode.

En GOALI-pris støtter fælles forskningsinteresser mellem akademiske og industrielle partnere. Det er beregnet til at fremme viden, der kan føre til gennembrud i kritiske industrielle behov. Prisen varer i tre år, og i alt over $500, 000. Finansieringen af ​​nitridprojektet begyndte 1. januar, 2019.

Lave temperaturer, overensstemmelse, og præcision giver en diamantlignende sejhed

Titanium- og vanadiumnitridfilm er allerede kendt for at være ekstremt hårde og slidstærke. Traditionelt, de er vokset ved sputtering, pulserende laseraflejring, eller kemiske dampaflejringsmetoder. I en første, gruppens samarbejdspartnere på Veeco/CNT dyrkede deres nitridfilm ved hjælp af plasma-forstærket deponering af atomlag, eller PE-ALD. Veeco/CNT er en førende leverandør af ALD-systemer baseret i Waltham, Massachusetts.

"I atomlagsaflejring, du bygger et lag af atomer ad gangen, " siger Strandwitz. "Det er en teknik, der allerede er brugt i mikroelektronik, som på dem i din telefon, hvor du måske har brug for en film, der er præcis tre nanometer tyk. Hvis filmen er fire, eller to, nanometer tyk, din transistorkontakt virker ikke. Og du har et par milliarder transistorer i din telefon."

Teknikken involverer en dampproces, der bruger to eller flere selvbegrænsende kemiske reaktioner til at dyrke et lag film ad gangen. I dette tilfælde, en titanium-precursor kommer ind i systemets kammer som en gas, reagerer med underlaget, og danner et monolag. Overskydende titanium bliver suget ud, derefter den anden gas, nitrogen plasma, bliver pumpet ind. Det binder sig til titanen, og danner et andet monolag. Denne totrinsproces gentages, indtil filmen når den ønskede tykkelse.

Teknikken er forbedret af en plasmagenerator, derfor PE i PE-ALD.

"Til dyrkning af nitrider, du har brug for meget termisk energi, som 800 grader Celsius, siger Strandwitz. Eller, du har brug for et plasma for at gøre nitrogenet mere reaktivt. At generere plasma betyder, at vi slår elektroner af nitrogenmolekylerne, mens de flyver rundt i gassen, gør nitrogenet mere reaktivt, så det binder til overfladen og bliver en del af filmen. Hvis du bare flyder nitrogengas igennem der, intet ville ske, fordi N2-molekylet er superstabilt. Så med plasma, vi kan dyrke disse film ved 50 grader Celsius, lige lidt over stuetemperatur."

Evnen til at dyrke film ved den temperatur er nøglen. For høje temperaturer kan smelte følsomme materialer som plastik og aluminium og gøre selv ret stabile metaller mere skøre, siger Strandwitz.

"At have evnen til at afsætte ved lave temperaturer åbner op for flere materialer, som du kan afsætte på, " han siger.

PE-ALD er også bemærkelsesværdig for sin overensstemmelse og præcision. I modsætning til linie-of-sight afsætningsteknikker, der kan efterlade huller eller skygger, de gasser, der anvendes i PE-ALD, sikrer, at hele overfladen af ​​et substrat er dækket, uanset dens form eller kompleksiteten af ​​dens funktioner. Og de selvbegrænsende reaktioner sikrer, at dækningen finder sted et enkelt lag af molekyler ad gangen - ikke mere, intet mindre.

Da Krick foretog en indledende test af hårdheds- og slidegenskaberne af titan- og valdiumnitridfilm dyrket ved hjælp af PE-ALD, han var imponeret over resultaterne.

"Disse film nærmer sig slidstyrken af ​​diamanter, "siger Krick." De er 100 gange bedre end de kommercielle nitridbelægninger. For eksempel, hvis du prøver at bære 10 nanometer, det ville tage 50 cykler med at glide frem og tilbage for at slides så meget ind i den kommercielle belægning. Det ville tage 5, 000 med dette materiale. Alt er cykelafhængigt, hvor længe noget varer afhænger af, hvor mange af disse arbejdscyklusser det gennemgår. Så tænk på det stik i din telefon oplader. Sådan noget kunne gå fra at blive slidt på et år eller 18 måneder, til aldrig at blive slidt i dit liv."

Sænke barriererne for opdagelse

Med GOALI -prisen, Strandwitz og Krick vil samarbejde med Veeco/CNT. Det tværfaglige team omfatter Strandwitz, hvis ekspertise omfatter ALD og tynde film, Krick specialisten i tribologi, og samarbejdspartnere Mark Sowa ved Veeco/CNT og Alexander Kozen ved United States Naval Research Laboratory, begge verdenskendte videnskabsmænd inden for ALD-instrumentering og -behandling. Holdet omfatter også en gruppe talentfulde kandidater og ph.d. Lehigh studerende, herunder NSF Fellow Tomas Babuska og Guosong Zeng, en ph.d. alun fra Kricks laboratorium, der nu er på Lawrence Berkeley National Laboratory.

Forskerne vil dyrke filmene, mens Strandwitz' team vil undersøge deres mikrostruktur, og Kricks team vil måle deres mekaniske egenskaber. De vil "dreje på knapperne", som Strandwitz siger, på variabler som temperatur, mængden af ​​titanium de bruger i forhold til vanadium, og brugen af ​​oxygen i filmene.

Alt sammen for at afgøre, hvad der gør disse film så specielle.

"Hvis vi ved, hvorfor de er så gode, vi kunne designe et nyt materiale, der udnytter det endnu mere, "siger Strandwitz." Så hvis vi ville have en film, der havde visse hårdhedsegenskaber eller slidegenskaber, hvis vi forstår, hvordan systemet fungerer, vi kan tune den til det."

De kan se adskillige potentielle anvendelser for filmene-som også er korrosionsbestandige superledere-især i nanoelektromekaniske systemer (NEMS) og mikroelektromekaniske systemer (MEMS).

"Denne teknik er nyttig til alt, der har mange små, bevægelige dele, der har brug for virkelig tynde belægninger, siger Strandwitz.

Det omfatter en masse ting inden for mange områder:rumfart, medicin, kommunikation, transport, forsvar, industri. Stort set alt der bevæger sig. Og når alt det der kan bevæge sig lettere og holde længere, energiforbrug og materialespild falder, til gavn for både økonomien og miljøet.

"Det fantastiske er, at vi har målt en masse materialer i vores laboratorium, og dette er langt det bedste, " siger Krick. "Det er virkelig spændende at dykke dybere ned og forstå, hvorfor det er så godt, og hvordan det kan bruges til faktisk at påvirke disse forskellige applikationer."

Det er ingen overraskelse, at en så dyb indvirkning kræver sammensmeltning af discipliner. Og det er muligt, at Strandwitz og Krick aldrig ville være nået så langt, hvis de ikke var så gode samarbejdspartnere – og venner. De hang ud en dag, da Strandwitz nævnte et fedt materiale, han forskede i, og snart, Krick testede det i sit laboratorium.

"Jeg tror, ​​at hvis vi hver især arbejdede i et vakuum, ingen ville nogensinde have målt de mekaniske egenskaber ved disse film, "siger Krick." Jeg ville aldrig vide om denne deponeringsteknik. Materialerne er der, gutterne hos Veeco/CNT kan lave alle mulige materialer, men uden det tværfaglige aspekt, du ville aldrig vide, hvad de er gode til. Det sænker virkelig barriererne for opdagelse."