كربيد السيليكون غير المتبلور

يتميز كربيد السيليكون غير المتبلور (a-SiC) بخصائص ميكانيكية وقوة مذهلة يمكن أن تحدث ثورة في مختلف الصناعات. وتتفوق قوة إنتاجيتها على المواد المعروفة مثل كيفلر، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات بما في ذلك مستشعرات الرقائق الدقيقة والخلايا الشمسية المتقدمة.

يتميز a-SiC عن منافسيه بسبب قوة الشد الفائقة وتعدد استخداماته، حيث إنه قادر على التصنيع على نطاق الرقاقات. وهذا ما يجعلها أكثر عملية من الجرافين أو الماس.

قوة شد عالية

على النقيض من المواد ثنائية الأبعاد (أي ثنائية الأبعاد) مثل الجرافين أو الماس التي قد يكون من الصعب إنتاجها بكميات كبيرة، يمكن إنتاج كربيد السيليكون غير المتبلور (a-SiC) بسهولة على نطاق الرقاقة، مما يجعله بديلاً جذاباً في العديد من التطبيقات نظراً لقابليته للتوسع. وبفضل قوة الشد العالية لأغراض عزل الاهتزازات والتفاعلات الكيميائية البسيطة المستخدمة في الإنتاج، يوفر كربيد السيليكون غير المتبلور (a-SiC) العديد من الإمكانيات كخيار جذاب للمواد لتطبيقات أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة النطاق.

تتكون معظم المواد من ذرات معبأة بإحكام ومرتبة في نمط شبكي معقد، مثل بناء أبراج الليجو. ويُعرف هذا الشكل من التنظيم باسم الشبكة البلورية ويمنح العديد من المواد قوتها المذهلة. من ناحية أخرى، تتميز المواد غير المتبلورة بذرات غير منظمة بشكل فضفاض للحصول على مرونة أكبر مقارنة بنظيراتها البلورية؛ وهذا لا يجعلها أضعف؛ في الواقع تفوق كربيد السيليكون غير المتبلور الماس والسترات الواقية من الرصاص المصنوعة من نسيج كيفلر عند قياس قوتها!

والسبب في ذلك هو أن مادة SiC غير المتبلورة تتكون من العديد من الروابط C-C القوية التي تسمح لها بامتلاك قوة شد عالية؛ حيث تبلغ قوة شدها 10 أضعاف قوة شد مادة كيفلر وتتحمل كميات غير عادية من القوة دون أن تنكسر. وقد كشفت دراسة حديثة قادها البروفيسور المساعد ريتشارد نورتي من جامعة دلفت للتكنولوجيا عن هذه الخاصية الرائعة.

وأجرى الباحثون دراسات مستفيضة على الأغشية الرقيقة من A-SiC واكتشفوا أن قوة الشد فيها تزداد مع زيادة حجم الحبيبات وكذلك إجهاد الكسر. وكشفت مقارنة النتائج بين هذه الأغشية وتلك المأخوذة من SiC البلورية عن معدلات إجهاد انكسار أعلى للأخيرة؛ بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات الجزيئية المفصلة عن زيادة وجود روابط C-C مقارنة بروابط Si-Si التي تؤدي إلى ارتفاع قوة الشد.

يمكن لمادة a-SiC أن تتحمل كلاً من الانحناء والتمدد، مما يجعلها مادة عالية المرونة. وعلاوة على ذلك، يمكنها تحمل درجات حرارة عالية للغاية مع الحفاظ على قوتها حتى عند تعرضها للإشعاع، مما يجعلها مثالية للبيئات القاسية مثل استكشاف الفضاء أو أجهزة الاستشعار الميكانيكية النانوية أو الخلايا الشمسية أو أي مجالات أخرى تتطلب مرونة فائقة.

المرونة

كربيد السيليكون مادة هندسية ذات إمكانات هائلة. وباعتبارها شكلاً غير بلوري من سيليكون السيليكون، يمكن إنتاج أغشية رقيقة من كربيد السيليكون لاستخدامها في الأجهزة الكهربائية والبصرية عالية الأداء، بما في ذلك أجهزة الاستشعار MEMS والخلايا الشمسية الكهروضوئية وكذلك الثنائيات الباعثة للضوء. ومع ذلك، لسوء الحظ، لا يزال من الصعب تحديد الخصائص الدقيقة لأغشية سيكلوريد الكالسيوم لأن تركيبها يختلف اختلافاً كبيراً تبعاً لظروف التصنيع مثل أنواع الغازات السليفة/معدلات التدفق/درجة حرارة الترسيب/طاقة الترددات الراديوية ومعالجات ما بعد الترسيب.

يتميز كربيد السيليكون غير المتبلور بخصائص ميكانيكية فائقة، بما في ذلك معامل يونغ المثير للإعجاب ومقاومة الالتواء، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات مختلفة تتراوح بين أجهزة الاستشعار الميكانيكية النانوية والواجهات العصبية إلى أجهزة الاستشعار الميكانيكية النانوية والواجهات العصبية. وبالفعل، ابتكر باحثون في جامعة دلفت للتكنولوجيا مادة سيليكون السيليكون غير المتبلور ذات قوة تفوق كيفلر والتي يمكن استخدامها في العديد من مجالات التطبيق.

على الرغم من أن SiC غير المتبلور يمكن أن يكون له العديد من التطبيقات، إلا أن تصنيعه قد يكون صعباً. ونظراً لانخفاض تبلورها وتركيبها الكيميائي غير المعتاد، غالباً ما ينتج عن التصنيع العديد من العيوب أثناء عملية التفكيك القابل للذوبان في الماء (CVD) مما يقلل من كفاءة الجهاز ويؤدي إلى ضعف الخصائص الكهربائية وانخفاض كفاءة استخدام الجهاز. وعلاوة على ذلك، غالبًا ما ينتج عن تركيبها الكيميائي الفريد من نوعه روابط متدلية تسبب سلوكًا إلكترونيًا شاذًا يؤدي إلى حدوث شذوذات داخل الأجهزة نفسها.

على الرغم من أن مادة SiC غير المتبلورة قد يكون لها عيوبها، إلا أن مرونتها تمكّن الباحثين من تصميم هياكل أكثر تعقيدًا وتحسين الأداء بسهولة أكبر من المواد الأخرى. على سبيل المثال، يمكن لصفائف رقيقة للغاية من الأقطاب الكهربائية الدقيقة المصنعة باستخدام هذه المادة تسجيل النشاط العصبي دون إثارة أي استجابات خلوية؛ مما يساعد على تقليل صدمة الإدخال وزيادة موثوقية غرسات الدماغ.

يُعدّ سيكلوريد السيليكون غير المتبلور مادة مثالية للاستخدام في الإلكترونيات ذات الأغشية الرقيقة لأنه يمكن ترسيبها في درجات حرارة منخفضة باستخدام الترسيب التقليدي بالترسيب باستخدام تقنية CVD. وعلاوة على ذلك، فإن تكلفتها المنخفضة تجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة من سيليكون البلوري؛ وعلاوة على ذلك، يمكن أيضاً جعلها شفافة للتطبيقات البصرية، مما يخلق حلولاً بصرية جديدة. وعلاوة على ذلك، وبسبب كثافة عيوبه المنخفضة وخصائصه العالية في حركة الإلكترونات، فإنه يصنع أجهزة إلكترونية ذات فجوة نطاق واسعة مثل مصابيح LED أو الخلايا الشمسية.

قابلية التوسع

كربيد السيليكون غير المتبلور (ASC) هو مادة اقتصادية من أشباه الموصلات ذات فجوة واسعة النطاق ذات مرونة فائقة يمكن أن تتسع بسهولة لمساحات كبيرة، مع الحد الأدنى من تكاليف الإنتاج المطلوبة لإنتاج أغشية رقيقة عالية الجودة بهذه المادة. وعلاوة على ذلك، فإن مادة كربيد السيليكون المتبلور (ASC) متوافقة حيويًا ومناسبة للأجهزة الطبية نظرًا لقوة الشد العالية والمرونة - وهي ميزة عند اختيار طبقات التخميل الطبية؛ ومع زيادة أداء الزرع الطبي الحيوي الذي يؤدي إلى تعزيز قدرات التشخيص، قد تتيح هذه التقنية تحسينات.

حقق فريق البحث في جامعة دلفت للتكنولوجيا بقيادة البروفيسور المساعد ريتشارد نورت إنجازاً مذهلاً في علم المواد من خلال تطويرهم لكربيد السيليكون غير المتبلور (a-SiC). وتتميز هذه المادة الجديدة الرائعة بقوة وخصائص ميكانيكية رائعة تجعلها مناسبة للتطبيقات بما في ذلك أجهزة استشعار الرقائق الدقيقة فائقة الحساسية، والخلايا الشمسية المتقدمة، وتقنيات استكشاف الفضاء المتطورة، وتسلسل الحمض النووي، بالإضافة إلى مادة كيفلر المضادة للرصاص التي تتفوق في قوة الخضوع مما يجعل مادة a-SiC مناسبة للمركبات المدرعة أيضًا.

يمكن تصنيع A-SiC من خلال ترسيب البخار الكيميائي بدرجة حرارة منخفضة من خليط غاز SiH4/CH4. ويعتمد التركيب الغشائي والسلامة الهيكلية اعتمادًا وثيقًا على نسبة السيليكون إلى الكربون في غازات السلائف؛ ومع ذلك، قد لا تكون هذه العلاقة خطية دائمًا بسبب الترسيب من نقاط مختلفة على الشبكة البلورية التي تؤدي إلى روابط أو اضطرابات مختلفة في الرواسب.

يمكن التعرف على هياكل a-SiC من خلال شبكات سداسية كثيفة من ذرات السيليكون مرتبة بتواتر غير منتظم مقارنةً بالبنية البلورية للبولي سيليكون، مما يؤدي إلى انخفاض التوصيل الكهربائي وزيادة كثافة الخلع مقارنةً بالبولي سيليكون. ولتقليل المقاومة أكثر من ذلك، يمكن إضافة النيتروجين أو الفوسفور أو منشطات البورون إلى السيليكون متعدد السيلكون لأغراض التخدير.

يمكن ضبط A-SiC لتعظيم فجوة الحزمة الضوئية والتوصيل الكهربائي، وفقًا للدراسات البحثية. يتوافق القياس التكافئي للفيلم بشكل وثيق مع نسبة Si/C في غازات السلائف؛ ويمكن تغييرها بين 5.7-10.0 بتيارات تصل إلى 58 مللي أمبير عبر شعاع شعاع إلكتروني. ويشمل توصيف فيلم a-SiC استخدام التحليل الطيفي الضوئي بالأشعة السينية والكشف عن الارتداد المرن والتحليل المجهري بالمسبار الإلكتروني وحيود الإرسال بالأشعة السينية.

سهولة التصنيع

على عكس معظم المواد، التي تميل إلى أن يكون لها بنية بلورية، فإن كربيد السيليكون غير المتبلور (a-SiC) يتميز بترتيب غير تقليدي يشبه ترتيب ذراته على شكل ليغو - ولكن هذا لا يضعفه بشكل أقل قوة؛ بل إنه يتفوق على الكيفلر كمادة مضادة للرصاص تستخدم في معظم السترات الواقية من الرصاص!

يمكن إنتاج A-SiC من خلال عمليات ترسيب البخار الكيميائي بدرجة حرارة منخفضة مع إنتاجية عالية من الإنارة وانخفاض كثافة العيوب من خلال دمج الهيدروجين، مما يجعلها أكثر جاذبية من c-Si للعديد من التطبيقات. علاوة على ذلك، توفر طبقات A-SiC الرقيقة مرونة أكبر في تصنيع الأجهزة.

تبرز مادة a-SiC بين المواد الأخرى كمادة قوية للغاية مع مقاومة كبيرة ضد الأكسدة والضرر الإشعاعي، مما يجعلها خيارًا ممتازًا لتطبيقات المعالجة الدقيقة للسطح مثل طبقات الإخفاء. كما أن مادة PECVD a-SiC خاملة كيميائيًا لجميع مواد الحفر باستثناء XeF2، مما يوفر حماية إضافية من اختراق أيونات الأكسجين أو جزيئات الكلور.

على مدى السنوات الأخيرة، حاول الباحثون استخدام a-SiC كركيزة لصفائف الواجهة العصبية. قد تساعد الغرسات الأقل سمكاً في تقليل الاستجابة للالتهاب والالتواء؛ ومع ذلك، قد تكون أكثر عرضة للخطر بسبب انخفاض معاملات يونغ.

وقد أظهرت الأبحاث الحديثة أنه يمكن تحويل ألياف سيليكون الألومنيوم-سيكل بنجاح إلى حلقات نانوية صغيرة ذات خواص ميكانيكية فائقة، حيث تتميز بعوامل جودة تصل إلى 108 في درجة حرارة الغرفة - وهي أعلى قيمة وصلت إليها رنانات ألياف سيكل قائمة بذاتها.

يُظهر هذا العمل أنه يمكن تحويل مادة a-SiC إلى أغشية مرنة وفائقة الرقة مع إمكانية كبيرة لاستخدامها في تطبيقات التعديل العصبي والواجهات العصبية، والخلايا الشمسية وتطبيقات التصوير بالأشعة السينية وغيرها. وعلاوة على ذلك، يقوم الفريق البحثي بمزيد من العمل على استكشاف هذه المادة الرائعة من خلال اختبار الخصائص الكهربائية والحرارية مثل درجة الحرارة والمقاومة لفهم كيفية عمل قوتها الاستثنائية وخصائصها الميكانيكية بشكل كامل بالإضافة إلى إيجاد استخدامات جديدة لها.