Carburo di silicio amorfo

Come il diamante, il grafene e altri materiali esotici, il carburo di silicio amorfo (a-SiC) è un materiale eccezionalmente resistente, ma a differenza delle sue controparti cristalline non presenta un ordine a lungo raggio nella sua disposizione atomica.

Questa anomalia aiuta a spiegare come questo materiale riesca a raggiungere una resistenza alla trazione così notevole; il professor Norte stima che fino a 10 automobili di medie dimensioni potrebbero essere sospese da una striscia di a-SiC prima che si rompa.

Caratteristiche

Il carburo di silicio (SiC) è un composto chimico inorganico composto da carbonio e silicio. Presente in natura come il raro minerale moissanite, il SiC si trova anche come materiale ceramico abrasivo o per giubbotti antiproiettile. Le sue qualità vanno dalla durezza e dagli elevati valori del modulo di Young, alle eccellenti proprietà meccaniche ed elettriche e all'ampia finestra di trasparenza nelle lunghezze d'onda del visibile, fino alle eccellenti prestazioni meccaniche ed elettriche nella sua forma cristallina (c-SiC).

Il SiC ha recentemente attirato l'interesse degli scienziati per la sua superiore resistenza alla trazione. Questo nuovo materiale, che combina materiali cristallini e amorfi, vanta una resistenza alla trazione 10 volte superiore a quella del Kevlar utilizzato per i giubbotti antiproiettile, rendendolo un materiale estremamente robusto ma flessibile, adatto a molti usi, tra cui i sensori ultrasensibili per microchip.

Il SiC amorfo è composto da pezzi di Lego impilati in modo casuale, senza un modello o un ordine regolare nella sua struttura atomica, simile all'aspetto che assume quando è posato su una superficie. Ma a differenza delle sue controparti cristalline, la sua randomizzazione non porta alla fragilità, ma al contrario rafforza la resilienza e la versatilità; la resistenza di 10 gigaPascal lo distingue da altri materiali come prova. Questa incredibile resistenza significa che dieci automobili dovrebbero pesare su di esso per rompere questo materiale!

Questi straordinari punti di forza rendono l'a-SiC un materiale eccellente per fabbricare strutture MEMS (sistemi microelettromeccanici) come membrane, cantilever e corde. Inoltre, grazie alle temperature più basse richieste per la deposizione rispetto ai metodi di deposizione del c-SiC, l'a-SiC può anche consentire processi di deposizione su scala wafer o di produzione ad alto rendimento.

Per dimostrare le prestazioni superiori dei film di a-SiC, abbiamo fabbricato e misurato risonatori ad anello realizzati con film sottili di questo materiale. I risonatori sono stati adattati con espressioni analitiche prima di essere analizzati con la simulazione del metodo degli elementi finiti; i risultati hanno dimostrato che i film sottili di a-SiC hanno fattori di qualità intrinseci superiori a 4×105, superando anche quelli trovati nel c-SiN e nel SiC cristallino con una perdita di propagazione in guida d'onda di 0,78dB/cm - un passo essenziale verso il suo utilizzo in applicazioni integrate di fotonica quantistica.

Proprietà

Il carburo di silicio amorfo offre diverse caratteristiche che lo rendono un candidato eccellente per l'uso con le piattaforme fotoniche, tra cui l'elevata selettività chimica, il basso coefficiente di espansione termica, la durezza e la rigidità, proprietà che lo rendono adatto ad applicazioni di sensori meccanici come i risonatori nanomeccanici. Inoltre, la ricerca ha identificato eccezionali fattori di qualità meccanica a trazione che rendono il carburo di silicio amorfo uno dei materiali migliori per le applicazioni di rilevamento di forza, accelerazione e spostamento.

Il SiC amorfo ha un modulo di Young molto più basso rispetto alla sua controparte in silicio (c-Si), il che lo rende più flessibile per l'uso in applicazioni elettroniche di grande superficie come gli schermi a cristalli liquidi. Inoltre, la sua struttura amorfa riduce l'energia necessaria per ottenere la stessa densità di corrente elettrica della sua controparte a base di silicio.

Le proprietà di bassa espansione termica rendono il PMMA un materiale eccellente per proteggere dall'espansione termica i dispositivi ottici a base metallica, come le fibre ottiche e le lenti. Purtroppo, la sua fragilità ne rende difficile l'utilizzo in applicazioni di massa come finestre o specchi.

Il carburo di silicio amorfo si distingue come materiale ideale per guide d'onda e amplificatori ottici grazie alla sua forte non linearità del terzo ordine, che lo rende il materiale perfetto per l'impiego di stati intermedi all'interno del suo band gap, potenziati dalle sue strutture amorfe per i processi di assorbimento di due fotoni e di miscelazione di quattro onde.

Inoltre, il SiC amorfo vanta una bassa conduttività termica ed elettrica, che gli consente di migliorare significativamente i dispositivi ottici integrati. Inoltre, la sua conducibilità termica è paragonabile a quella del tungsteno e del carburo di boro e lo rende adatto ad applicazioni a bassa temperatura, come la gestione termica o le comunicazioni ad alta velocità.

I film di carburo di silicio possono essere creati con varie tecniche, tra cui la deposizione chimica da vapore al plasma (PCVD). Le pellicole prodotte in questo modo possono essere sintonizzate su specifiche lunghezze d'onda per applicazioni ottiche o formate in strutture di risonatori; inoltre possono essere depositate come strati sottili sopra altri substrati o materiali, come substrati di vetro isolante.

Le simulazioni di dinamica molecolare hanno dimostrato che il SiC amorfo ha una struttura stratificata con la presenza di legami eteronucleari e omonucleari, il cui rapporto cambia con la ricottura. Questa scoperta conferma le funzioni di distribuzione radiale misurate sperimentalmente.

Applicazioni

La scalabilità del carburo di silicio amorfo lo rende il materiale ideale per molte applicazioni ad alte prestazioni, tra cui sensori, celle solari, tecnologie di esplorazione spaziale e compositi strutturali. Inoltre, la sua resistenza allo snervamento supera il Kevlar, rendendolo adatto per sensori ultrasensibili per microchip, celle solari avanzate e tecnologie di esplorazione spaziale. Inoltre, le sue proprietà meccaniche uniche consentono l'ingegneria della deformazione in materiali robusti come i compositi strutturali e le guarnizioni meccaniche.

Il silicio policristallino (c-Si) presenta una struttura cristallina intrecciata, mentre il silicio amorfo (a-Si) è caratterizzato da piccoli cristalli disposti in modo granulare all'interno della sua struttura. Per questo motivo, il silicio amorfo (a-Si) può tollerare più facilmente la deformazione, consentendo film più sottili con temperature di processo più basse rispetto alla sua controparte c-Si.

La bassa densità può anche essere un vantaggio per le interfacce neurali, che si basano su elettrodi a film sottile combinati con vibrazioni ad alta frequenza per stimolare o registrare l'attività cerebrale. Purtroppo, il mantenimento della loro integrità durante l'impianto cronico può diventare sempre più impegnativo a causa di complicazioni causate da influenze biologiche e abiotiche, come reazioni infiammatorie e riduzione dello spessore degli impianti.

Oltre alle sue proprietà meccaniche, l'a-SiC presenta anche un impressionante modulo di Young che lo rende utile nella progettazione di risonatori modellati per interfacce neurali. Per dimostrare questa applicazione, il team ha fabbricato e caratterizzato membrane, cantilever e corde in a-SiC; ha eseguito un adattamento analitico per stabilire il loro fattore di qualità intrinseco, il modulo di Young, il rapporto di Poisson e la densità; ha eseguito simulazioni con il metodo degli elementi finiti per prevedere le frequenze di modo fondamentali su questi cantilever/stringhe; ha riscontrato che i risultati concordavano bene con le misure sperimentali.

L'A-SiC è un promettente materiale semiconduttore per i dispositivi optoelettronici di prossima generazione ad alta temperatura, alta frequenza e alta potenza. Il suo band gap presenta una sostanziale non linearità del terzo ordine, 10 volte superiore a quella del SiN e del SiC cristallino, che dà luogo a un maggiore assorbimento a due fotoni e a processi di miscelazione a quattro onde. Inoltre, la sua stabilità termica facilita l'integrazione ibrida. Inoltre, questo materiale vanta una buona resistenza chimica in quanto fonte abbondante di droganti di idrogeno, che lo rende adatto come rivestimento di passivazione superficiale contro la corrosione, l'incisione e l'abrasione.

Futuro

In un'epoca in cui i materiali ad alta resistenza sono stati storicamente dominati dalle controparti 2D e cristalline, il carburo di silicio amorfo è emerso come una novità nel settore. L'esclusiva struttura amorfa di questo materiale gli conferisce una forza straordinaria, nonostante la mancanza di un reticolo coerente con una disposizione ordinata degli atomi; infatti può sopportare sollecitazioni enormi, pari a quelle che si avrebbero appendendo 10 automobili di medie dimensioni a una striscia di nastro adesivo, prima di cedere alla tensione.

L'a-SiC si distingue dalle sue controparti cristalline quando si tratta di produzione, grazie al suo carattere amorfo; questo materiale facilita i processi di produzione come i transistor a film sottile (TFT), ampiamente utilizzati per gli schermi a cristalli liquidi e gli imager a raggi X, oltre a molti altri usi. Un vantaggio fondamentale è la scalabilità: a differenza del grafene e del diamante, che richiedono grandi produzioni per operazioni di fabbricazione su larga scala, la produzione di a-SiC può avvenire su scala di wafer.

La scalabilità ha aperto molte applicazioni nella tecnologia dei sensori a microchip. I materiali durevoli proteggono meglio i satelliti e le navicelle spaziali dalle difficili condizioni ambientali che si incontrano nello spazio, e potrebbero persino migliorare la tecnologia delle celle solari per consentire una produzione più efficiente di energia pulita.

Infine, l'a-SiC è un materiale interessante per le applicazioni integrate di fotonica quantistica. Grazie all'ampio band gap e al ridotto assorbimento a due fotoni alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, nonché all'ampia finestra di trasparenza negli spettri del visibile e del vicino infrarosso, l'a-SiC è una piattaforma eccellente per le sorgenti di fotoni singoli e i qubit di spin.

A breve, le proprietà rivoluzionarie dell'a-SiC trasformeranno diversi settori industriali. La sua resistenza, scalabilità e versatilità stanno già giocando un ruolo cruciale nelle comunicazioni ad altissima velocità e nelle tecnologie ottiche; ma forse la sua applicazione più rivoluzionaria si trova nell'ambito dell'esplorazione interstellare, dove la sua capacità di resistere a forze straordinarie potrebbe consentire a razzi e astronavi di raggiungere Marte o anche più lontano nel nostro universo utilizzando questo materiale. Il suo futuro appare quindi promettente, mentre i suoi effetti sulla società in generale sono immensi.