Άμορφο καρβίδιο του πυριτίου

Όπως το διαμάντι, το γραφένιο και άλλα εξωτικά υλικά, το άμορφο καρβίδιο του πυριτίου (a-SiC) είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό υλικό - ωστόσο, σε αντίθεση με τα κρυσταλλικά του ομόλογα, δεν παρουσιάζει τάξη μεγάλης εμβέλειας στην ατομική του διάταξη.

Αυτή η ανωμαλία εξηγεί πώς το υλικό αυτό καταφέρνει να επιτύχει μια τόσο αξιοσημείωτη αντοχή στον εφελκυσμό- ο καθηγητής Norte εκτιμά ότι μέχρι και 10 αυτοκίνητα μεσαίου μεγέθους θα μπορούσαν να αναρτηθούν από μια λωρίδα a-SiC πριν σπάσει.

Χαρακτηριστικά

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια ανόργανη χημική ένωση που αποτελείται από άνθρακα και πυρίτιο. Το SiC απαντάται φυσικά ως το σπάνιο ορυκτό μοισσανίτης και μπορεί επίσης να βρεθεί ως λειαντικό ή κεραμικό υλικό για αλεξίσφαιρα γιλέκα. Με τόσες πολλές τεχνολογικές εφαρμογές υπόσχεται πολλά - οι ιδιότητές του κυμαίνονται από σκληρότητα και υψηλές τιμές μέτρου ελαστικότητας Young, άριστες μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες καθώς και ευρύ παράθυρο διαφάνειας σε όλα τα ορατά μήκη κύματος έως εξαιρετικές μηχανικές και ηλεκτρικές επιδόσεις στην κρυσταλλική του μορφή (c-SiC).

Το SiC έχει προσελκύσει πρόσφατα το ενδιαφέρον των επιστημόνων λόγω της ανώτερης εφελκυστικής του αντοχής. Αυτό το νέο υλικό, το οποίο συνδυάζει τόσο κρυσταλλικά όσο και άμορφα υλικά, διαθέτει όρια αντοχής 10 φορές μεγαλύτερα από το Kevlar που χρησιμοποιείται για αλεξίσφαιρα γιλέκα - καθιστώντας το ένα εξαιρετικά στιβαρό αλλά και εύκαμπτο υλικό κατάλληλο για πολλές χρήσεις, συμπεριλαμβανομένων υπερευαίσθητων αισθητήρων μικροτσίπ.

Το άμορφο SiC αποτελείται από τυχαία στοιβαγμένα κομμάτια Lego χωρίς κανονικό μοτίβο ή τάξη στην ατομική του δομή, παρόμοια με την εμφάνισή του όταν είναι τοποθετημένο επίπεδο σε μια επιφάνεια. Αλλά σε αντίθεση με τα κρυσταλλικά αντίστοιχα υλικά, η τυχαία κατανομή του δεν οδηγεί σε ευθραυστότητα, αλλά αντίθετα ενισχύει την ανθεκτικότητα και την ευελιξία. 10 gigaPascal αντοχή το ξεχωρίζουν από άλλα υλικά ως απόδειξη. Αυτή η απίστευτη αντοχή σημαίνει ότι δέκα αυτοκίνητα θα πρέπει να το ζυγίσουν για να σπάσει αυτό το υλικό!

Αυτές οι εξαιρετικές αντοχές καθιστούν το a-SiC ένα εξαιρετικό υλικό για την κατασκευή δομών MEMS (μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα), όπως μεμβράνες, βραχίονες και χορδές. Επιπλέον, λόγω των χαμηλότερων θερμοκρασιών που απαιτούνται για την εναπόθεση σε σχέση με τις μεθόδους εναπόθεσης c-SiC, το a-SiC μπορεί επίσης να παρέχει διαδικασίες εναπόθεσης σε κλίμακα παραγωγής ή γκοφρέτας υψηλής απόδοσης.

Για να αποδείξουμε την ανώτερη απόδοση των υμενίων a-SiC, κατασκευάσαμε και μετρήσαμε αντηχεία δακτυλίου από λεπτά υμένια αυτού του υλικού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα λεπτά υμένια a-SiC έχουν εγγενείς συντελεστές ποιότητας άνω των 4×105, ξεπερνώντας ακόμη και αυτούς που συναντώνται στο c-SiN και στο κρυσταλλικό SiC με απώλειες διάδοσης κυματοδηγού 0,78dB/cm - ένα ουσιαστικό βήμα προς τη χρήση του σε ολοκληρωμένες εφαρμογές κβαντικής φωτονικής.

Ιδιότητες

Το άμορφο καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει διάφορα χαρακτηριστικά που το καθιστούν εξαιρετικό υποψήφιο για χρήση με φωτονικές πλατφόρμες, όπως υψηλή χημική επιλεκτικότητα, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, σκληρότητα και ακαμψία - ιδιότητες που το καθιστούν κατάλληλο για εφαρμογές μηχανικών αισθητήρων, όπως νανομηχανικοί αντηχεία. Επιπλέον, η έρευνα έχει εντοπίσει εξαιρετικούς παράγοντες μηχανικής ποιότητας εφελκυσμού που καθιστούν το άμορφο καρβίδιο του πυριτίου ένα από τα κορυφαία υλικά για εφαρμογές ανίχνευσης δύναμης, επιτάχυνσης και μετατόπισης.

Το άμορφο SiC έχει πολύ χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας Young από το αντίστοιχο του πυριτίου (c-Si), καθιστώντας το πιο εύκαμπτο για χρήση σε ηλεκτρονικές εφαρμογές μεγάλης επιφάνειας, όπως οι οθόνες υγρών κρυστάλλων. Επιπλέον, η άμορφη δομή του μειώνει την ενέργεια που απαιτείται για να επιτευχθεί η ίδια πυκνότητα ηλεκτρικού ρεύματος με την αντίστοιχη του πυριτίου.

Οι ιδιότητες χαμηλής θερμικής διαστολής καθιστούν το PMMA ένα εξαιρετικό υλικό για την προστασία των οπτικών συσκευών με βάση το μέταλλο, όπως οι οπτικές ίνες και οι φακοί, από τη θερμική διαστολή, όπως οι φακοί. Δυστυχώς, η ευθραυστότητά του καθιστά δύσκολη τη χρήση του σε μαζικές εφαρμογές όπως παράθυρα ή καθρέφτες.

Το άμορφο καρβίδιο του πυριτίου ξεχωρίζει ως ιδανικό υλικό για οπτικούς κυματοδηγούς και ενισχυτές λόγω της ισχυρής μη γραμμικότητάς του τρίτης τάξης, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για τη χρήση ενδιάμεσων καταστάσεων εντός του χάσματος ζώνης του, οι οποίες ενισχύονται μέσω των άμορφων δομών του για διαδικασίες απορρόφησης δύο φωτονίων και ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων.

Επιπλέον, το άμορφο SiC διαθέτει χαμηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, γεγονός που το βοηθά να βελτιώσει σημαντικά τις ολοκληρωμένες οπτικές διατάξεις. Επιπλέον, η θερμική του αγωγιμότητα συγκρίνεται ευνοϊκά με τα υλικά βολφραμίου και καρβιδίου βορίου και το καθιστά κατάλληλο για εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιών, όπως η θερμική διαχείριση ή οι επικοινωνίες υψηλής ταχύτητας.

Τα υμένια καρβιδίου του πυριτίου μπορούν να δημιουργηθούν με διάφορες τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης της χημικής εναπόθεσης ατμών με πλάσμα (PCVD). Τα υμένια που παράγονται με αυτόν τον τρόπο μπορούν να συντονιστούν σε συγκεκριμένα μήκη κύματος για οπτικές εφαρμογές ή να διαμορφωθούν σε δομές αντηχείων- επιπλέον μπορούν επίσης να εναποτεθούν ως λεπτά στρώματα πάνω σε άλλα υποστρώματα ή υλικά όπως μονωτικά γυάλινα υποστρώματα.

Προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής έδειξαν ότι το άμορφο SiC έχει μια στρωματοποιημένη δομή με ετεροπυρηνικούς και ομοπυρηνικούς δεσμούς, η αναλογία των οποίων μεταβάλλεται κατά την ανόπτηση. Το εύρημα αυτό επιβεβαιώνει τις πειραματικά μετρούμενες συναρτήσεις ακτινικής κατανομής.

Εφαρμογές

Η επεκτασιμότητα του άμορφου καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά ιδανικό υλικό για πολλές εφαρμογές υψηλής απόδοσης, όπως αισθητήρες, ηλιακές κυψέλες, τεχνολογίες εξερεύνησης του διαστήματος και δομικά σύνθετα υλικά. Επιπλέον, το όριο διαρροής του ξεπερνά το Kevlar, καθιστώντας το κατάλληλο για υπερευαίσθητους αισθητήρες μικροτσίπ, καθώς και για προηγμένες ηλιακές κυψέλες και τεχνολογίες εξερεύνησης του διαστήματος. Επιπλέον, οι μοναδικές μηχανικές ιδιότητές του επιτρέπουν τη μηχανική παραμόρφωσης που επιτρέπει τη μηχανική παραμόρφωσης σε ανθεκτικά υλικά, όπως δομικά σύνθετα υλικά και μηχανικές σφραγίδες.

Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (c-Si) διαθέτει διαπλεκόμενη κρυσταλλική δομή, ενώ το άμορφο πυρίτιο (a-Si), από την άλλη πλευρά, διαθέτει μικρούς κρυσταλλίτες τοποθετημένους κοκκώδης μέσα στην υφή του. Ως εκ τούτου, το άμορφο πυρίτιο (a-Si) μπορεί να ανεχθεί ευκολότερα την παραμόρφωση, επιτρέποντας λεπτότερα υμένια με χαμηλότερες θερμοκρασίες διεργασίας σε σχέση με το αντίστοιχο c-Si.

Η χαμηλή πυκνότητα μπορεί επίσης να αποτελέσει πλεονέκτημα για τις νευρικές διεπαφές, οι οποίες βασίζονται σε ηλεκτρόδια λεπτών υμενίων σε συνδυασμό με δονήσεις υψηλής συχνότητας για τη διέγερση ή την καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Δυστυχώς, η διατήρηση της ακεραιότητάς τους κατά τη διάρκεια της χρόνιας εμφύτευσης μπορεί να γίνει όλο και πιο δύσκολη λόγω επιπλοκών που προκαλούνται τόσο από βιολογικές όσο και από αβιοτικές επιδράσεις, όπως αντιδράσεις φλεγμονής και μείωση του πάχους των εμφυτευμάτων.

Εκτός από τις μηχανικές του ιδιότητες, το a-SiC διαθέτει επίσης ένα εντυπωσιακό μέτρο ελαστικότητας Young που το καθιστά χρήσιμο για το σχεδιασμό μοτίβων αντηχείων για νευρικές διεπαφές. Για να επιδείξει αυτή την εφαρμογή, η ομάδα κατασκεύασε και χαρακτήρισε μεμβράνες, ακροδέκτες, χορδές από a-SiC- πραγματοποίησε αναλυτική προσαρμογή για να καθορίσει τον εγγενή συντελεστή ποιότητας, το μέτρο ελαστικότητας Young, τον λόγο Poisson και την πυκνότητά τους- εκτέλεσε προσομοιώσεις με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων για να προβλέψει τις θεμελιώδεις συχνότητες λειτουργίας σε αυτούς τους ακροδέκτες/χορδές- διαπίστωσε ότι τα αποτελέσματά τους συμφωνούσαν καλά με τις πειραματικές μετρήσεις.

Το A-SiC είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό ημιαγωγών για οπτοηλεκτρονικές διατάξεις επόμενης γενιάς υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος. Το χάσμα ζώνης του παρουσιάζει σημαντική μη γραμμικότητα τρίτης τάξης που είναι 10 φορές υψηλότερη από το SiN και το κρυσταλλικό SiC, προκαλώντας ενισχυμένη απορρόφηση δύο φωτονίων και διαδικασίες ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων. Επιπλέον, η θερμική του σταθερότητα διευκολύνει την υβριδική ολοκλήρωση. Επιπλέον, αυτό το υλικό διαθέτει καλή χημική αντοχή ως άφθονη πηγή υδρογονοπροσμίξεων- καθιστώντας το κατάλληλο ως επιφανειακές παθητικές επιστρώσεις παθητικοποίησης επιφανειών έναντι διάβρωσης, χάραξης και τριβής.

Μελλοντικό

Σε μια εποχή που τα υλικά υψηλής αντοχής έχουν ιστορικά κυριαρχηθεί από 2D και κρυσταλλικά αντίστοιχα υλικά, το άμορφο καρβίδιο του πυριτίου έχει αναδειχθεί ως ένα βιομηχανικό παιχνίδι που αλλάζει τα δεδομένα. Η μοναδική άμορφη δομή αυτού του υλικού του προσδίδει εξαιρετική αντοχή παρά την έλλειψη συνεκτικού πλέγματος με διατεταγμένες διατάξεις ατόμων- στην πραγματικότητα, μπορεί να αντέξει τεράστια πίεση - ισοδύναμη με την ανάρτηση 10 αυτοκινήτων μεσαίου μεγέθους από μια λωρίδα μονωτικής ταινίας πριν υποκύψει στην καταπόνηση.

Το A-SiC ξεχωρίζει από τα αντίστοιχα κρυσταλλικά υλικά, όταν πρόκειται για την κατασκευή, λόγω του άμορφου χαρακτήρα του.Αυτό το υλικό καθιστά εύκολες τις διαδικασίες παραγωγής, όπως τα τρανζίστορ λεπτής μεμβράνης (TFT), τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως για οθόνες υγρών κρυστάλλων και συσκευές απεικόνισης ακτίνων Χ, μεταξύ πολλών άλλων χρήσεων. Ένα βασικό πλεονέκτημα είναι η επεκτασιμότητα: σε αντίθεση με το γραφένιο και το διαμάντι, τα οποία απαιτούν μεγάλες σειρές παραγωγής για διαδικασίες κατασκευής μεγάλης κλίμακας, η παραγωγή α-SiC μπορεί να γίνει σε κλίμακα πλακιδίων.

Η επεκτασιμότητα έχει ανοίξει πολλές εφαρμογές στην τεχνολογία αισθητήρων μικροτσίπ. Τα ανθεκτικά υλικά παρέχουν καλύτερη προστασία στους δορυφόρους και τα διαστημόπλοια από τις σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν στο διάστημα και θα μπορούσαν ακόμη και να βελτιώσουν την τεχνολογία των ηλιακών κυψελών για την αποτελεσματικότερη παραγωγή καθαρής ενέργειας.

Τέλος, το α-SiC είναι ένα συναρπαστικό υλικό για ολοκληρωμένες εφαρμογές κβαντικής φωτονικής. Με το ευρύ χάσμα ζώνης και τη μειωμένη απορρόφηση δύο φωτονίων σε μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών, καθώς και το ευρύ παράθυρο διαφάνειας στο ορατό και το εγγύς υπέρυθρο φάσμα, το a-SiC αποτελεί μια εξαιρετική πλατφόρμα για πηγές μεμονωμένων φωτονίων και qubits σπιν.

Εν ολίγοις, οι επαναστατικές ιδιότητες του a-SiC θα μεταμορφώσουν σύντομα πολλαπλές βιομηχανίες. Η αντοχή, η επεκτασιμότητα και η ευελιξία του παίζουν ήδη καθοριστικό ρόλο στις επικοινωνίες υπερυψηλών ταχυτήτων και στις οπτικές τεχνολογίες, αλλά ίσως η πιο πρωτοποριακή εφαρμογή του βρίσκεται στη διαστρική εξερεύνηση, όπου η ικανότητά του να αντέχει σε εξαιρετικές δυνάμεις μπορεί να επιτρέψει πυραύλους και διαστημόπλοια που θα φτάσουν στον Άρη ή ακόμα πιο μακριά στο σύμπαν μας χρησιμοποιώντας αυτό το υλικό. Έτσι, το μέλλον του φαίνεται πολλά υποσχόμενο, ενώ οι επιπτώσεις του είναι τεράστιες στην κοινωνία στο σύνολό της.