Tyndfilm af amorf siliciumcarbid

Amorft siliciumcarbid (a-SiC) har fået enorm opmærksomhed på grund af dets varierende optiske og elektroniske egenskaber. Da det er stift, har lav varmeudvidelse og er gennemsigtigt i synligt lys, er det et attraktivt materiale til teleskopspejle.

Materialevidenskaben oplever en revolution med introduktionen af dette nye materiale: a-SiC. Med egenskaber, der kombinerer styrke med tilfældighed og præcision, kan dets indvirkning revolutionere mikrochipteknologien.

Styrke

Krystallinsk siliciumcarbid (c-SiC) er typisk meget stærkere end dets amorfe modstykke; men en ny opdagelse i en amorf Si-C-tyndfilm åbner døren for højtydende mekaniske og optiske enheder. Med en ultimativ trækstyrke på 10GPa for tyndfilmsproduktion i wafer-skala er amorft SiC kommet i en eliteklub, der kun er forbeholdt de stærkeste materialer som f.eks. grafen-nanoriboner.

Si-C-baserede film kan produceres i wafer-skala og let tilpasses forskellige substrater, hvilket gør dem meget tilpasningsdygtige og giver overlegen kemisk inerti, hårdhed og mekanisk stabilitet sammenlignet med andre belægninger [1. Det gør dem velegnede som beskyttende belægninger, mens de også fungerer som forstærkningsmateriale i keramiske matrixkompositter, der bruges i gasforbrændingsanlæg, termiske printhoveder og brændselsceller; de bruges også i stor udstrækning som MEMS-sensorer og integrerede fotonikapplikationer [1-3].

a-SiC kan let dopes med nitrogen og fosfor for at danne en n-type halvleder, mens doping med bor, aluminium og gallium vil konvertere den til p-type status. Desuden giver a-SiC på grund af sin styrke og gennemsigtighed over for synligt lys ved at erstatte siliciumatomer med kulstofatomer større designfleksibilitet under fremstillingen af enheder. a-SiC aflejres ved hjælp af kemisk dampudfældning (CVD) ved lav temperatur som et levedygtigt alternativ til c-SiC og dets modstykke c-SiC.

Tilfældighed

Amorft siliciumcarbid (a-SiC) er hurtigt blevet mere og mere populært på grund af dets store potentiale inden for forskellige anvendelsesområder. En af dets mest bemærkelsesværdige egenskaber er dets styrke, der trodser traditionelle forventninger ved at strække sig op til 10 gigaPascal (GPa). Det betyder, at man kan hænge 10 mellemstore biler op på en strimmel gaffatape, før den giver efter på grund af stress.

Styrken i a-SiC opnås på grund af den uordnede atomstruktur. Mens krystallinsk silicium har fire gange koordinerede atomer arrangeret i et ordnet krystalgitter, skaber a-SiC's tilfældige arrangementer et kontinuerligt tilfældigt netværk, som gør materialet ekstremt stærkt.

Pulserende magnetronforstøvning producerer film af a-SiC med enten en søjle- eller blomkålslignende struktur, afhængigt af forstøvningseffekten. Efter udglødning slapper denne struktur af, og der er flere heteronukleare (Si-Si) bindinger end homonukleare (Si-C) bindinger til stede i strukturen.

Strukturens mangfoldighed gør det muligt at skræddersy forskellige elektroniske og optiske egenskaber ved SiC til individuelle anvendelser, fra kemiske modifikationer som f.eks. tilsætning af brint til deponeringsgas for kemisk ændring til mekanisk fremstilling med 4,66×105 kvalitetsfaktorer opnået ved stuetemperatur af ringresonatorer fremstillet ved hjælp af dette materiale - to egenskaber, der giver enorm kontrol over dets elektroniske og optiske egenskaber.

Præcision

Amorft siliciumcarbid skiller sig ud fra andre velkendte materialer som grafen og diamanter med sin unikke amorfe natur; i modsætning til grafen, der består af et lag kulstof, som udgør hele dets sammensætning; i modsætning til at være skalerbart som grafen giver det meget større alsidighed til brug på tværs af mange applikationer.

Amorft siliciumcarbid er længe blevet valgt som det aktive lag til TFT-elementer, der bruges i store elektroniske applikationer som f.eks. flydende krystal-skærme (LCD'er). Dette valg skyldes de lavere omkostninger og den overlegne elektroniske ydeevne sammenlignet med krystallinsk silicium.

Men dens amorfe struktur giver den også en vigtig fordel: modstandsdygtighed over for skørhed. Norte uddyber: De fleste materialer har ordnede strukturer som Lego-tårne; men amorf siliciumcarbid mangler dette mønster og ligner mere tilfældigt stablede Lego-klodser end en indviklet samlet. Selv om det kan virke kontraintuitivt, øger den manglende ensartethed faktisk styrken.

Strimler af amorft siliciumcarbid kan således modstå 10 gange mere trækspænding end tilsvarende diamanter, hvilket gør det til den ideelle kandidat til præcis trækprøvning på chippen. Desuden egner dets amorfe natur sig godt til tørre ætsemidler, som forårsager minimale forstyrrelser af ophængte nanostrukturer for nøjagtig testning sammenlignet med våde ætsemidler, som kan kompromittere dets krystalstruktur i modsætning til krystallinsk silicium, som kræver våde ætsemidler, der helt kan forstyrre dets integritet.

Skalerbarhed

I modsætning til grafen eller diamant, som kræver sjældne og dyre produktionsprocesser, kan amorf siliciumcarbid masseproduceres på produktionslinjer i wafer-skala - hvilket åbner nye muligheder for at designe mikrochipsensorer, der er både præcise og robuste.

Amorf siliciumcarbid er et ekstraordinært materiale, der kombinerer tilfældighed med præcision. Dets trækstyrke overgår populære materialer som Kevlar; for at sætte det i perspektiv ville det kræve en vægt svarende til 12 mellemstore biler at bryde en strimmel!

En imponerende bedrift for et så tyndt materiale. Skalerbarhed betyder høj mekanisk modstandsdygtighed til ophængning af sarte nanoringe. Dette viser en evne til at opnå høj udbyttestyrke i komplekse ophængte strukturer, hvilket åbner døre for anvendelser som ultrafølsomme mikrochipsensorer, avancerede solceller og teknologier til udforskning af rummet.

a-SiC udviser fremragende kemisk modstandsdygtighed over for de almindelige ætsemidler til mikrobearbejdning af overflader, der bruges i dag, hvilket gør det til det ideelle materiale til at fungere som et offerlag i mikrobearbejdningsprocesser. Desuden tillader dets kemiske inerti tørre ætsemidler, der gør det muligt at ætse underskæringer uden at beskadige nanostringstrukturer, hvilket skaber grundlaget for fremtidig forskning, der udforsker udnyttelsen af dets iboende fleksible og robuste egenskaber.