Nyt bormateriale med høj hårdhed skabt af plasmakemisk dampaflejring

Yogesh Vohra, Ph.D., bruger mikrobølge-plasma kemisk dampaflejring til at skabe tynde krystalfilm af aldrig før sete materialer. Denne indsats søger materialer, der nærmer sig en diamant i hårdhed og er i stand til at overleve ekstremt pres, temperatur og korrosive miljøer. Søgen efter nye materialer er motiveret af ønsket om at overvinde begrænsninger af diamant, som har tendens til at oxidere ved temperaturer højere end 600 grader Celsius og også reagerer kemisk med jernholdige metaller.

Vohra, en professor og universitetsforsker ved University of Alabama ved Birmingham Department of Physics, melder nu, i journalen Videnskabelige rapporter , syntese af et nyt borrigt borcarbidmateriale. denne film, dyrket på en 1-tommers wafer af silicium, er kemisk stabil, har 37 procent hårdhed af kubisk diamant og fungerer som en isolator.

Lige vigtigt, eksperimentel test af det nye materiale - inklusive røntgendiffraktion og måling af materialets hårdhed og Youngs modul - stemmer nøje overens med forudsagte værdier beregnet af UAB-teamet af forskere ledet af Cheng-Chien Chen, Ph.D., adjunkt i fysik ved UAB. De forudsagte værdier kommer fra første-principper-analyse, som anvender supercomputer-drevne tæthedsfunktionelle teoriberegninger af positivt ladede kerner og negativt ladede elektroner. Dermed, Vohra, Chen og kolleger har begge lavet en ny bor-carbonforbindelse og har vist forudsigelseskraften ved første principanalyse til at forudsige egenskaberne af disse materialer.

Det nye materiale har den kemiske formel B50C2, hvilket betyder 50 atomer bor og to carbonatomer i hver underenhed af krystalstrukturen. Det afgørende spørgsmål er, hvor de to carbonatomer er placeret i hver krystalunderenhed; indsættelse af carbonatomer på andre steder fører til materialer, der er ustabile og metalliske. Den præcise placering af kulstof opnås ved at variere vækstbetingelserne.

Det nuværende B50C2-materiale blev dyrket i et mikrobølgeplasma-kemisk dampaflejringssystem ved brug af brint som bæregas og diboran - 90 procent brintgas, 10 procent B2H6 og dele pr. million kulstof - som den reaktive gas. Prøver blev dyrket ved et lavt tryk svarende til det atmosfæriske tryk 15 miles over Jorden. Substrattemperaturen var omkring 750 grader Celsius.

"Syntese af borrige borcarbidmaterialer ved kemiske dampaflejringsmetoder er fortsat relativt uudforsket og en udfordrende bestræbelse, " sagde Vohra. "Udfordringen er at finde det korrekte sæt af betingelser, der er gunstige for vækst i den ønskede fase."

"Vores nuværende undersøgelser giver validering af tæthedsfunktionsteorien til at forudsige stabil krystalstruktur og tilvejebringe en metastabil syntesevej for borrigt borcarbidmateriale til applikationer under ekstreme trykforhold, temperatur og korrosive miljøer."

Medforfattere med Vohra og Chen til papiret, "Første principper forudsigelser og syntese af B50C2 ved kemisk dampaflejring, " er Paul A. Baker, Wei-Chih Chen og Shane A. Catledge, UAB Institut for Fysik.