Forskere opdager nyt ultrastærkt materiale til mikrochipsensorer

Forskere ved Delft University of Technology, ledet af adjunkt Richard Norte, har afsløret et bemærkelsesværdigt nyt materiale med potentiale til at påvirke materialevidenskabens verden:amorft siliciumcarbid (a-SiC). Ud over dets exceptionelle styrke demonstrerer dette materiale mekaniske egenskaber, der er afgørende for vibrationsisolering på en mikrochip. Amorft siliciumcarbid er derfor særligt velegnet til fremstilling af ultrafølsomme mikrochipsensorer.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

Udvalget af potentielle anvendelser er stort. Fra ultrafølsomme mikrochipsensorer og avancerede solceller til banebrydende rumudforskning og DNA-sekventeringsteknologier. Fordelene ved dette materiales styrke kombineret med dets skalerbarhed gør det usædvanligt lovende.

Ti mellemstore biler

"For bedre at forstå den afgørende karakteristik af 'amorf', tænk på de fleste materialer som værende opbygget af atomer arrangeret i et regulært mønster, som et kompliceret bygget Lego-tårn," forklarer Norte. "Disse betegnes som 'krystallinske' materialer, som f.eks. en diamant. Den har kulstofatomer, der er perfekt justeret, hvilket bidrager til dens berømte hårdhed."

Imidlertid er amorfe materialer beslægtet med et tilfældigt stablet sæt lego, hvor atomer mangler ensartet arrangement. Men i modsætning til forventningerne resulterer denne randomisering ikke i skrøbelighed. Faktisk er amorft siliciumcarbid et vidnesbyrd om styrke, der opstår fra en sådan tilfældighed.

Trækstyrken af ​​dette nye materiale er 10 GigaPascal (GPa). "For at forstå, hvad det betyder, forestil dig at prøve at strække et stykke gaffatape, indtil det knækker. Hvis du nu vil simulere trækspændingen svarende til 10 GPa, skal du hænge omkring ti mellemstore biler ende- for at afslutte den strimmel, før den går i stykker," siger Norte.

Nanostrenge

Forskerne brugte en innovativ metode til at teste dette materiales trækstyrke. I stedet for traditionelle metoder, der kan introducere unøjagtigheder fra den måde, hvorpå materialet er forankret, vendte de sig til mikrochipteknologi. Ved at dyrke filmene af amorft siliciumcarbid på et siliciumsubstrat og suspendere dem, udnyttede de nanostrengenes geometri til at inducere høje trækkræfter.

Ved at fremstille mange sådanne strukturer med stigende trækkræfter observerede de omhyggeligt brudpunktet. Denne mikrochip-baserede tilgang sikrer ikke kun hidtil uset præcision, men baner også vejen for fremtidig materialetestning.

Hvorfor fokus på nanostrenge? "Nanostrenge er fundamentale byggeklodser, selve fundamentet, der kan bruges til at konstruere mere indviklede ophængte strukturer. At demonstrere høj flydespænding i en nanostreng betyder at vise styrke i sin mest elementære form."

Fra mikro til makro

Og det, der til sidst adskiller dette materiale, er dets skalerbarhed. Grafen, et enkelt lag af kulstofatomer, er kendt for sin imponerende styrke, men er udfordrende at producere i store mængder. Selvom diamanter er enormt stærke, er de enten sjældne i naturen eller dyre at syntetisere. Amorft siliciumcarbid kan på den anden side fremstilles i wafer-skalaer, hvilket tilbyder store plader af dette utroligt robuste materiale.

"Med fremkomsten af ​​amorft siliciumcarbid står vi på tærsklen til mikrochipforskning fyldt med teknologiske muligheder," konkluderer Norte.

Flere oplysninger: Minxing Xu et al., High-Strength Amorphous Silicon Carbide til nanomekanik, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202306513

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Delft University of Technology