Silikon Karbida Amorf

Seperti berlian, graphene, dan material eksotis lainnya, silikon karbida amorf (a-SiC) adalah material yang sangat kuat - namun tidak seperti material kristalnya, material ini tidak menunjukkan keteraturan jarak jauh dalam susunan atomnya.

Anomali ini membantu menjelaskan bagaimana bahan ini berhasil mencapai kekuatan tarik yang luar biasa; Profesor Norte memperkirakan bahwa hingga 10 mobil berukuran sedang dapat digantung pada satu strip a-SiC sebelum patah.

Karakteristik

Silikon karbida (SiC) adalah senyawa kimia anorganik yang terdiri dari karbon dan silikon. Secara alami terbentuk sebagai mineral langka moissanite, SiC juga dapat ditemukan sebagai bahan keramik pelat rompi antipeluru atau antipeluru. Dengan begitu banyak aplikasi teknologi, SiC sangat menjanjikan - kualitasnya berkisar dari kekerasan dan nilai modulus Young yang tinggi, sifat mekanik dan elektrik yang sangat baik, serta jendela transparansi yang luas di seluruh panjang gelombang yang terlihat hingga kinerja mekanik dan elektrik yang sangat baik dalam bentuk kristalnya (c-SiC).

SiC baru-baru ini menarik perhatian para ilmuwan karena kekuatan tariknya yang superior. Bahan baru ini, yang menggabungkan bahan kristal dan amorf, memiliki kekuatan luluh 10 kali lebih besar daripada Kevlar yang digunakan untuk rompi antipeluru - menjadikannya bahan yang sangat kuat namun fleksibel yang cocok untuk berbagai penggunaan, termasuk sensor microchip yang sangat peka.

SiC amorf terdiri dari potongan-potongan Lego yang ditumpuk secara acak tanpa pola atau urutan yang teratur pada struktur atomnya, mirip dengan tampilannya saat diletakkan di atas permukaan. Namun, tidak seperti kristal, pengacakannya tidak menyebabkan kerapuhan, melainkan memperkuat ketahanan dan fleksibilitas; kekuatan 10 gigaPascal membedakannya dari bahan lain sebagai buktinya. Kekuatan yang luar biasa ini berarti sepuluh mobil harus menindihnya untuk menghancurkan material ini!

Kekuatan luar biasa ini menjadikan a-SiC bahan yang sangat baik untuk membuat struktur MEMS (sistem mikroelektromekanis) seperti membran, kantilever, dan senar. Selain itu, karena suhu yang lebih rendah yang diperlukan untuk deposisi dibandingkan dengan metode deposisi c-SiC, a-SiC juga dapat menyediakan produksi hasil tinggi atau proses deposisi skala wafer.

Untuk mendemonstrasikan performa superior film a-SiC, kami membuat dan mengukur resonator cincin yang terbuat dari film tipis bahan ini. Resonator dilengkapi dengan ekspresi analitik sebelum dianalisis menggunakan simulasi metode elemen hingga; hasilnya menunjukkan bahwa film tipis a-SiC memiliki faktor kualitas intrinsik lebih dari 4 × 105, bahkan melebihi yang ditemukan pada c-SiN dan kristal SiC dengan rugi-rugi perambatan pandu gelombang 0,78dB/cm - sebuah langkah penting untuk penggunaannya dalam aplikasi fotonik kuantum terintegrasi.

Properti

Silikon karbida amorf menawarkan beberapa karakteristik yang menjadikannya kandidat yang sangat baik untuk digunakan dengan platform fotonik, termasuk selektivitas kimiawi yang tinggi, koefisien muai panas yang rendah, kekerasan dan kekakuan - sifat-sifat yang membuatnya cocok untuk aplikasi sensor mekanis seperti resonator nanomekanis. Selain itu, penelitian telah mengidentifikasi faktor kualitas mekanik tarik yang luar biasa sehingga menjadikan silikon karbida amorf sebagai salah satu bahan terbaik untuk aplikasi penginderaan gaya, akselerasi, dan perpindahan.

SiC amorf memiliki modulus Young yang jauh lebih rendah daripada silikon (c-Si), sehingga lebih fleksibel untuk digunakan dalam aplikasi elektronik area luas seperti layar kristal cair. Selain itu, struktur amorfnya mengurangi energi yang dibutuhkan untuk mencapai kepadatan arus listrik yang sama dengan silikon.

Sifat pemuaian termal yang rendah membuat PMMA menjadi bahan yang sangat baik untuk melindungi perangkat optik berbasis logam, seperti serat optik dan lensa dari pemuaian termal, seperti lensa. Sayangnya, kerapuhannya membuatnya sulit untuk digunakan dalam aplikasi massal seperti jendela atau cermin.

Silikon karbida amorf menonjol sebagai bahan yang ideal untuk pandu dan penguat gelombang optik karena nonlinieritas orde ketiga yang kuat, menjadikannya bahan yang sempurna untuk menggunakan kondisi peralihan di dalam celah pita yang ditingkatkan melalui struktur amorf untuk dua penyerapan foton dan empat proses pencampuran gelombang.

Selain itu, SiC amorf memiliki konduktivitas termal dan listrik yang rendah, sehingga membantu meningkatkan perangkat optik terintegrasi secara signifikan. Selain itu, konduktivitas termalnya lebih baik dibandingkan dengan bahan tungsten dan boron karbida dan membuatnya cocok untuk aplikasi suhu rendah seperti manajemen termal atau komunikasi berkecepatan tinggi.

Film Silikon Karbida dapat dibuat melalui berbagai teknik, termasuk deposisi uap kimia berbasis plasma (PCVD). Film yang diproduksi dengan cara ini dapat disetel ke panjang gelombang tertentu untuk aplikasi optik atau dibentuk menjadi struktur resonator; selain itu, film ini juga dapat diendapkan sebagai lapisan tipis di atas substrat atau bahan lain, seperti substrat kaca isolasi.

Simulasi dinamika molekuler telah menunjukkan bahwa SiC amorf memiliki struktur berlapis dengan ikatan heteronuklear dan homonuklear, yang rasionya berubah pada saat anil. Temuan ini menegaskan fungsi distribusi radial yang diukur secara eksperimental.

Aplikasi

Skalabilitas silikon karbida amorf membuatnya menjadi bahan yang ideal untuk banyak aplikasi berkinerja tinggi, termasuk sensor, sel surya, teknologi eksplorasi ruang angkasa, dan komposit struktural. Selain itu, kekuatan luluhnya melampaui Kevlar, sehingga cocok untuk sensor microchip ultrasensitif serta sel surya canggih dan teknologi eksplorasi ruang angkasa. Selain itu, sifat mekaniknya yang unik memungkinkan rekayasa regangan yang memungkinkan rekayasa regangan pada material yang kuat seperti komposit struktural dan segel mekanis.

Silikon polikristalin (c-Si) memiliki struktur kristal yang terjalin sementara silikon amorf (a-Si), di sisi lain, memiliki kristalit kecil yang tersusun secara terperinci dalam teksturnya. Dengan demikian, silikon amorf (a-Si) dapat mentolerir deformasi dengan lebih mudah, memungkinkan film yang lebih tipis dengan suhu proses yang lebih rendah dibandingkan dengan c-Si.

Kepadatan yang rendah juga dapat menjadi aset bagi antarmuka saraf, yang mengandalkan elektroda film tipis yang dikombinasikan dengan getaran frekuensi tinggi untuk menstimulasi atau merekam aktivitas otak. Sayangnya, mempertahankan integritasnya selama implan kronis dapat menjadi semakin menantang karena komplikasi yang disebabkan oleh pengaruh biologis dan abiotik, seperti reaksi peradangan dan pengurangan ketebalan implan.

Selain sifat mekaniknya, a-SiC juga memiliki modulus Young yang mengesankan yang membuatnya berguna dalam mendesain resonator berpola untuk antarmuka saraf. Untuk mendemonstrasikan aplikasi ini, tim membuat dan mengkarakterisasi membran, kantilever, senar yang terbuat dari a-SiC; melakukan kecocokan analitis untuk menetapkan faktor kualitas intrinsik, modulus Young, rasio Poisson, dan densitasnya; menjalankan simulasi metode elemen hingga untuk memprediksi frekuensi modus fundamental pada kantilever/ senar tersebut; menemukan bahwa hasilnya cocok dengan pengukuran eksperimental.

A-SiC adalah bahan semikonduktor yang menjanjikan untuk perangkat optoelektronik bersuhu tinggi, berfrekuensi tinggi, dan berdaya tinggi generasi mendatang. Celah pita menunjukkan nonlinieritas orde ketiga yang substansial yang 10 kali lebih tinggi dari SiN dan kristal SiC, sehingga meningkatkan penyerapan dua foton dan proses pencampuran empat gelombang. Selain itu, stabilitas termalnya memfasilitasi integrasi hibrida. Selain itu, bahan ini memiliki ketahanan kimia yang baik sebagai sumber dopan hidrogen yang melimpah; membuatnya cocok sebagai pelapis pasif permukaan pasif permukaan terhadap etsa korosi dan abrasi.

Masa Depan

Pada saat material berkekuatan tinggi secara historis didominasi oleh material 2D dan kristal, silikon karbida amorf telah muncul sebagai pengubah industri. Struktur amorf yang unik dari bahan ini memberikan kekuatan yang luar biasa meskipun tidak memiliki kisi yang koheren dengan susunan atom yang teratur; bahkan bahan ini dapat menahan tekanan yang sangat besar-setara dengan menggantungkan 10 mobil berukuran sedang pada selembar lakban sebelum akhirnya menyerah pada tekanan.

A-SiC menonjol dari rekan-rekan kristalnya dalam hal manufaktur karena karakter amorfnya; bahan ini memudahkan proses produksi seperti transistor film tipis (TFT), yang banyak digunakan untuk layar kristal cair dan pencitra sinar-X di antara banyak kegunaan lainnya. Keuntungan utamanya adalah skalabilitas: tidak seperti graphene dan berlian, yang membutuhkan proses produksi besar untuk operasi manufaktur skala besar, produksi a-SiC dapat dilakukan dalam skala wafer.

Skalabilitas telah membuka banyak aplikasi dalam teknologi sensor microchip. Bahan yang tahan lama memberikan perlindungan yang lebih baik untuk satelit dan pesawat ruang angkasa terhadap kondisi lingkungan yang keras yang dihadapi di luar angkasa; dan bahkan dapat meningkatkan teknologi sel surya untuk memungkinkan produksi energi bersih yang lebih efisien.

Terakhir, a-SiC adalah bahan yang menarik untuk aplikasi fotonik kuantum terintegrasi. Dengan celah pita yang lebar dan berkurangnya penyerapan dua foton pada panjang gelombang telekomunikasi serta jendela transparansi yang luas di seluruh spektrum yang terlihat dan inframerah-dekat, a-SiC menjadi platform yang sangat baik untuk sumber foton tunggal dan spin qubit.

Singkatnya, sifat revolusioner a-SiC akan segera mengubah banyak industri. Kekuatan, skalabilitas, dan keserbagunaannya telah memainkan peran penting dalam komunikasi berkecepatan sangat tinggi dan teknologi optik; tetapi mungkin aplikasi yang paling inovatif terletak pada eksplorasi antarbintang; di mana kemampuannya untuk menahan kekuatan yang luar biasa dapat memungkinkan roket dan pesawat ruang angkasa yang mencapai Mars atau bahkan lebih jauh lagi ke alam semesta kita dengan menggunakan bahan ini. Dengan demikian, masa depan bahan ini tampak menjanjikan, sementara dampaknya sangat besar bagi masyarakat luas.