Tynde diamantfilm giver nyt materiale til mikromaskiner

(Phys.org) —Airbags, inkjetprintere og videoprojektorer ser måske ikke ud til at have meget til fælles, men alle tre er afhængige af handlingen af ​​lille, mikroskalaenheder for at fungere korrekt.

Disse enheder, kendt som mikroelektromekaniske systemer (MEMS), er af stigende interesse for forskere på grund af deres brede vifte af anvendelser, fra mikrofoner til biosensorer.

Det meste af den nuværende generation af MEMS er primært lavet af silicium, hvilket i høj grad skyldes den relative lethed det er at lave siliciumbaserede enheder med den nuværende teknologi. Imidlertid, Siliciumbaserede MEMS har et par væsentlige ulemper:de slides meget hurtigt på grund af friktion, og de er ikke biokompatible – hvilket forhindrer mulige fremtidige medicinske anvendelser i den menneskelige krop.

Forskere ved Center for Nanoscale Materials ved U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory og en håndfuld andre institutioner rundt om i verden har rettet deres fokus mod at udforske MEMS lavet af et relativt nyt materiale kendt som ultrananokrystallinsk diamant (UNCD), som er glatte og slidstærke diamant tynde film.

"Robuste og pålidelige MEMS er nødvendige for glidende og roterende handlinger i lille skala, "Argonne nanovidenskabsmand Anirudha Sumant sagde. "Silicon har ikke nær så gode mekaniske eller slidegenskaber som diamant."

Men den relative vanskelighed ved at forsøge at skabe en MEMS-enhed fra UNCD komplicerer sagerne. MEMS skal laves ekstremt præcist, og deres komponenter kan ikke flytte sig ud af deres plads.

Målet med eksperimentet var at gøre den del af en MEMS-enhed kendt som aktuatoren, som i dette tilfælde omdanner varmeenergi til mekanisk forskydning eller bevægelse. Aktuatoren ligner et spindelvæv af diamanttråde, der udvider sig og trækker sig sammen som en bælg, når den opvarmes og afkøles. Dette væv af diamantfilamenter er fastgjort til et langt skaft, som så igen kan fastgøres til et mikrogearsystem for at give rotationsbevægelse.

Desværre, diamantmaterialet er plaget af stress, som videnskabsmænd skal finde måder at omgå. Materialet er især berygtet for, hvad Sumant kalder "kompressiv stress, " et fænomen, der opstår, fordi diamantens atomnetværk ikke udvider sig så meget under den varme fase, når filmen aflejres på et andet materiale. "Hovedspørgsmålet, vi forsøger at løse, er, hvordan man kan reducere den iboende stress i denne film, " sagde Sumant.

Heldigvis, flere af egenskaberne ved UNCD filmen er med til at lindre stress. UNCD består af bittesmå diamantkorn forbundet med korngrænser. "Du kan tænke på disse korngrænser som et badmintonnet; de er fleksible i stedet for stive, som er god til at imødekomme stress, " sagde Sumant. "Der er også ensartet kornstørrelse hele vejen fra bund til top, hvilket er vigtigt for at holde stressen lav."

Forskerne var i stand til at justere den iboende stress ved at optimere korngrænsematerialerne og tykkelsen af ​​filmene.

"Dette åbner virkelig døren for at bruge diamant til fremstilling af avancerede MEMS-enheder, " sagde Sumant.

En undersøgelse baseret på forskningen, "Elektrisk ledende ultrananokrystallinsk diamant til udvikling af en næste generation af mikroaktuatorer, " optrådte i 2. maj-udgaven af Sensorer og aktuatorer A:Fysisk .