Silikon Karbida Amorf

Silikon karbida amorf (a-SiC) memiliki sifat mekanik dan kekuatan yang mengesankan yang dapat merevolusi berbagai industri. Kekuatan luluhnya melampaui bahan terkenal seperti Kevlar, sehingga cocok untuk aplikasi termasuk sensor microchip dan sel surya canggih.

a-SiC menonjol dari para pesaingnya karena kekuatan tarik dan keserbagunaannya yang unggul, yang mampu difabrikasi pada skala wafer. Dengan demikian, hal ini membuatnya lebih praktis daripada graphene atau berlian.

Kekuatan tarik tinggi

Berbeda dengan bahan dua dimensi (yaitu 2D) seperti graphene atau berlian yang sulit diproduksi dalam jumlah yang signifikan, silikon karbida amorf (a-SiC) dapat dengan mudah diproduksi dalam skala wafer, menjadikannya alternatif yang menarik dalam banyak aplikasi karena skalabilitasnya. Dengan kekuatan tarik yang tinggi untuk tujuan isolasi getaran dan reaksi kimia sederhana yang digunakan untuk produksi, a-SiC menawarkan banyak kemungkinan sebagai pilihan material yang menarik untuk aplikasi semikonduktor celah lebar.

Sebagian besar bahan terdiri dari atom-atom yang padat dan tersusun dalam pola kisi-kisi yang rumit, seperti membangun menara LEGO. Bentuk organisasi ini dikenal sebagai kisi kristal dan memberikan banyak bahan kekuatan yang luar biasa. Di sisi lain, bahan amorf memiliki atom-atom yang terorganisir secara longgar untuk fleksibilitas yang lebih besar dibandingkan dengan bahan kristal; hal ini tidak membuatnya lebih lemah; bahkan silikon karbida amorf lebih kuat daripada berlian dan rompi antipeluru dari bahan Kevlar jika diukur kekuatannya!

Alasannya, SiC amorf terdiri dari banyak ikatan C-C yang kuat yang memungkinkannya memiliki kekuatan tarik yang tinggi; kekuatan tariknya 10 kali lipat dari Kevlar dan tahan terhadap gaya yang luar biasa tanpa putus. Sebuah penelitian terbaru yang dipimpin oleh Asisten Profesor Richard Norte dari Delft University of Technology telah mengungkap sifat luar biasa ini.

Para peneliti melakukan studi ekstensif pada film tipis a-SiC dan menemukan bahwa kekuatan tariknya meningkat seiring bertambahnya ukuran butiran, begitu juga dengan regangan patah. Membandingkan hasil antara film ini dan film dari kristal SiC mengungkapkan tingkat regangan patah yang lebih tinggi untuk film yang terakhir; selain itu, analisis molekuler yang mendetail telah mengungkapkan peningkatan keberadaan ikatan C-C dibandingkan dengan ikatan Si-Si yang menghasilkan kekuatan tarik yang lebih tinggi.

a-SiC dapat menahan pembengkokan dan peregangan, menjadikannya bahan yang sangat tangguh. Selain itu, bahan ini dapat bertahan pada suhu yang sangat tinggi namun tetap mempertahankan kekuatannya bahkan ketika terpapar radiasi, sehingga ideal untuk lingkungan yang keras seperti eksplorasi ruang angkasa, sensor nanomekanis, sel surya, atau area lain yang membutuhkan ketahanan ekstrem.

Fleksibilitas

Silikon karbida (SiC) adalah bahan teknik dengan potensi yang sangat besar. Sebagai bentuk non-kristal dari Si, film tipis SiC dapat diproduksi untuk digunakan pada perangkat listrik dan optik berkinerja tinggi, termasuk sensor MEMS dan sel surya fotovoltaik serta dioda pemancar cahaya. Sayangnya, bagaimanapun, sifat-sifat SiC yang tepat tetap sulit untuk ditentukan karena komposisinya sangat bervariasi tergantung pada kondisi fabrikasi seperti jenis gas prekursor/laju aliran/temperatur deposisi/daya RF dan perawatan pasca deposisi.

Silikon karbida amorf memiliki sifat mekanik yang unggul, termasuk modulus Young yang mengesankan dan ketahanan terhadap tekukan, sehingga cocok untuk berbagai aplikasi mulai dari sensor nanomekanik dan antarmuka saraf hingga sensor nanomekanik dan antarmuka saraf. Bahkan, para peneliti di Delft University of Technology telah menciptakan bahan SiC amorf dengan kekuatan melebihi Kevlar yang berpotensi digunakan di berbagai bidang aplikasi.

Meskipun SiC amorf dapat memiliki banyak aplikasi, fabrikasi mungkin menantang. Karena kristalinitasnya yang rendah dan struktur kimianya yang tidak biasa, fabrikasi sering kali menghasilkan banyak cacat selama proses CVD yang mengurangi efisiensi perangkat serta menyebabkan sifat listrik yang buruk dan berkurangnya efisiensi penggunaan perangkat. Selain itu, struktur kimianya yang unik sering kali menghasilkan ikatan yang menggantung yang menyebabkan perilaku elektronik yang tidak normal yang mengakibatkan anomali di dalam perangkat itu sendiri.

Meskipun SiC amorf memiliki kekurangan, fleksibilitasnya memungkinkan para peneliti untuk mendesain struktur yang lebih kompleks dan mengoptimalkan kinerja dengan lebih mudah dibandingkan dengan bahan lain. Sebagai contoh, susunan mikroelektroda ultra tipis yang dibuat menggunakan bahan ini dapat merekam aktivitas neuron tanpa memicu respons sel apa pun; sehingga membantu meminimalkan trauma penyisipan dan meningkatkan keandalan implan otak.

SiC amorf adalah bahan yang ideal untuk digunakan untuk elektronik film tipis karena dapat diendapkan pada suhu rendah dengan deposisi CVD konvensional. Selain itu, biayanya yang lebih rendah membuatnya lebih hemat biaya daripada Si kristal; selain itu, ia juga dapat dibuat transparan untuk aplikasi optik, menciptakan solusi optik baru. Selain itu, karena kerapatan cacatnya yang rendah dan karakteristik mobilitas elektron yang tinggi, bahan ini dapat digunakan untuk perangkat elektronik dengan celah pita yang lebar seperti LED atau sel surya.

Skalabilitas

Silikon karbida amorf (ASC) adalah bahan semikonduktor celah pita lebar yang ekonomis dengan ketahanan unggul yang dapat dengan mudah diperluas ke area yang luas, dengan biaya produksi minimal yang diperlukan untuk memproduksi film tipis berkualitas tinggi dengan bahan ini. Selain itu, ASC bersifat biokompatibel dan cocok untuk perangkat medis karena kekuatan tarik dan fleksibilitasnya yang tinggi - sebuah keuntungan ketika memilih lapisan pasif medis; dengan peningkatan kinerja implan biomedis yang mengarah pada kemampuan diagnostik yang lebih baik, teknologi ini dapat memungkinkan peningkatan.

Tim peneliti Universitas Teknologi Delft yang dipimpin oleh asisten profesor Richard Norte telah mencapai terobosan yang mencengangkan dalam ilmu pengetahuan material dengan pengembangan Amorphous Silicon Carbide (a-SiC). Material baru yang luar biasa ini memiliki kekuatan dan sifat mekanik yang luar biasa yang membuatnya cocok untuk aplikasi termasuk sensor microchip ultrasensitif, sel surya canggih, teknologi eksplorasi ruang angkasa yang mutakhir, pengurutan DNA, serta bahan antipeluru Kevlar yang melampaui kekuatan luluhnya sehingga membuat a-SiC cocok untuk kendaraan lapis baja.

A-SiC dapat diproduksi melalui deposisi uap kimia suhu rendah dari campuran gas SiH4/CH4. Komposisi film dan integritas struktural sangat bergantung pada rasio silikon terhadap karbon dalam gas prekursor; namun, hubungan ini mungkin tidak selalu linier karena pengendapan dari titik yang berbeda pada kisi kristal yang mengarah ke ikatan yang berbeda atau gangguan pada endapan.

Struktur a-SiC dapat diidentifikasi dengan jaringan heksagonal padat atom silikon yang disusun dengan periodisitas tidak teratur dibandingkan dengan struktur kristal polisilikon, menciptakan konduktivitas listrik yang lebih rendah dan kerapatan dislokasi yang lebih besar dibandingkan dengan polisilikon. Untuk mengurangi resistivitas lebih lanjut, dopan nitrogen, fosfor, atau boron dapat ditambahkan ke dalam a-SiC untuk tujuan doping.

A-SiC dapat disetel untuk memaksimalkan celah pita optik dan konduktivitas listrik, menurut studi penelitian. Stoikiometri film sangat berkaitan erat dengan rasio Si/C dalam gas prekursor; variasinya antara 5,7-10,0 dapat divariasikan dengan arus hingga 58mA melalui pancaran e-beam. Mengkarakterisasi film a-SiC termasuk menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar-X, deteksi mundur elastis, analisis mikro probe elektron, dan difraksi transmisi sinar-X.

Kemudahan fabrikasi

Berlawanan dengan kebanyakan bahan, yang cenderung memiliki struktur kristal, silikon karbida amorf (a-SiC) memiliki susunan atom-atomnya yang tidak konvensional seperti Lego - tetapi ini tidak melemahkannya sama sekali; bahkan bahan ini mengungguli Kevlar sebagai bahan antipeluru yang digunakan di sebagian besar rompi antipeluru!

A-SiC dapat diproduksi melalui proses deposisi uap kimia suhu rendah dengan hasil luminescent yang tinggi dan kepadatan cacat yang berkurang melalui penggabungan hidrogen, sehingga lebih menarik daripada c-Si untuk banyak aplikasi. Selain itu, lapisan tipis A-SiC memberikan fleksibilitas fabrikasi perangkat yang lebih besar.

a-SiC menonjol di antara bahan lainnya sebagai bahan yang sangat kuat dengan ketahanan yang tinggi terhadap oksidasi dan kerusakan radiasi, menjadikannya pilihan yang sangat baik untuk aplikasi pemesinan mikro permukaan seperti lapisan penutup. PECVD a-SiC secara kimiawi inert terhadap semua etsa kecuali XeF2, menawarkan perlindungan lebih lanjut dari penetrasi ion oksigen atau molekul klorin.

Selama beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mencoba menggunakan a-SiC sebagai substrat untuk susunan antarmuka saraf. Implan yang lebih tipis dapat membantu mengurangi respons peradangan dan tekukan; namun, karena modulus Young yang lebih rendah, implan ini mungkin lebih rentan.

Penelitian terbaru telah menunjukkan bahwa a-SiC dapat berhasil diubah menjadi nanostring kecil dengan sifat mekanik yang unggul, dengan faktor kualitas hingga 108 pada suhu kamar - nilai tertinggi yang pernah dicapai oleh resonator a-SiC yang berdiri sendiri.

Penelitian ini menunjukkan bahwa a-SiC dapat diubah menjadi film yang fleksibel dan sangat tipis dengan potensi besar untuk digunakan dalam aplikasi neuromodulasi dan antarmuka saraf, sel surya, dan aplikasi pencitraan sinar-X. Selain itu, tim peneliti sedang melakukan pekerjaan lebih lanjut dalam eksplorasi material yang luar biasa ini dengan menguji sifat listrik dan termal seperti suhu dan resistivitas untuk memahami lebih jauh bagaimana kekuatan dan sifat mekaniknya yang luar biasa berfungsi serta menemukan kegunaan baru untuknya.