비정질 실리콘 카바이드

다이아몬드, 그래핀 및 기타 이색적인 소재와 마찬가지로 비정질 탄화규소(a-SiC)는 매우 강한 소재이지만 결정질 소재와 달리 원자 배열에서 장거리 질서를 나타내지 않습니다.

이러한 특성은 이 소재가 어떻게 놀라운 인장 강도를 달성할 수 있었는지 설명하는 데 도움이 됩니다. 노르테 교수는 a-SiC 스트립 하나에 중형 자동차 10대를 매달아도 부러지기 전에 버틸 수 있다고 추정합니다.

특성

실리콘 카바이드(SiC)는 탄소와 실리콘으로 구성된 무기 화합물입니다. 희귀 광물인 모이사나이트에서 자연적으로 발생하는 SiC는 연마재 또는 방탄 조끼 플레이트 세라믹 소재로도 사용됩니다. 경도와 높은 영스 모듈러스 값, 우수한 기계적 및 전기적 특성, 가시 파장에 걸친 넓은 투명도 창, 결정 형태(c-SiC)의 우수한 기계적 및 전기적 성능 등 다양한 기술적 응용 분야에서 엄청난 잠재력을 지니고 있습니다.

탄화규소는 뛰어난 인장 강도 때문에 최근 과학자들의 관심을 끌고 있습니다. 결정질과 비정질 소재를 결합한 이 새로운 소재는 방탄 조끼에 사용되는 케블라보다 10배 이상 높은 항복 강도를 자랑하며, 초감도 마이크로칩 센서를 비롯한 다양한 용도에 적합한 매우 견고하면서도 유연한 소재입니다.

비정질 SiC는 원자 구조에 규칙적인 패턴이나 질서가 없는 레고 조각을 무작위로 쌓아 올린 것으로, 표면에 평평하게 놓았을 때의 모습과 유사합니다. 그러나 결정질과 달리 무작위적 구조로 인해 깨지기 쉬운 대신 복원력과 다용도성이 강화되며, 10기가파스칼의 강도가 다른 소재와 차별화되는 특징이 있습니다. 이 놀라운 강도는 이 소재를 부수려면 자동차 10대의 무게를 견뎌야 한다는 뜻입니다!

이러한 탁월한 강점 덕분에 a-SiC는 멤브레인, 캔틸레버, 스트링과 같은 MEMS(미세전자기계시스템) 구조물을 제작하는 데 탁월한 소재입니다. 또한, c-SiC 증착 방법보다 증착에 필요한 온도가 낮기 때문에 a-SiC는 높은 수율의 생산 또는 웨이퍼 스케일 증착 공정도 제공할 수 있습니다.

a-SiC 필름의 우수한 성능을 입증하기 위해 이 소재의 박막으로 만든 링 공진기를 제작하고 측정했습니다. 공진기는 유한 요소법 시뮬레이션을 사용하여 분석하기 전에 분석 식을 적용했으며, 그 결과 a-SiC 박막은 4×105 이상의 고유 품질 계수를 가지며, 이는 통합 양자 포토닉스 애플리케이션에 사용하기 위한 필수 단계인 0.78dB/cm의 도파관 전파 손실로 c-SiN 및 결정질 SiC에서도 발견되는 것을 능가하는 것으로 나타났습니다.

속성

비정질 실리콘 카바이드는 높은 화학적 선택성, 낮은 열팽창 계수, 경도 및 강성 등 나노 기계 공진기와 같은 기계 센서 애플리케이션에 적합한 특성을 포함하여 포토닉 플랫폼에 사용하기에 탁월한 여러 가지 특성을 제공합니다. 또한 연구에 따르면 비정질 실리콘 카바이드는 뛰어난 인장 기계적 품질 인자가 확인되어 힘, 가속도 및 변위 감지 애플리케이션에 가장 적합한 소재 중 하나로 꼽힙니다.

비정질 SiC는 실리콘(c-Si)에 비해 영스 계수가 훨씬 낮기 때문에 액정 디스플레이와 같은 대면적 전자 애플리케이션에 사용하기에 더 유연합니다. 또한 비정질 구조는 실리콘 기반과 동일한 전류 밀도를 달성하는 데 필요한 에너지를 줄여줍니다.

열팽창 특성이 낮은 PMMA는 광섬유나 렌즈와 같은 금속 기반 광학 장치를 열팽창으로부터 보호하는 데 탁월한 소재입니다. 안타깝게도 취성 때문에 창문이나 거울과 같은 대량 응용 분야에서는 사용하기가 어렵습니다.

비정질 실리콘 카바이드는 강력한 3차 비선형성으로 인해 광 도파관 및 증폭기에 이상적인 소재로 각광받고 있으며, 비정질 구조를 통해 향상된 밴드 갭 내의 중간 상태를 두 개의 광자 흡수 및 네 개의 파동 혼합 공정에 사용하는 데 완벽한 소재입니다.

또한 비정질 SiC는 열 및 전기 전도도가 낮아 통합 광학 장치를 크게 개선하는 데 도움이 됩니다. 또한 열 전도성이 텅스텐 및 탄화붕소 소재에 비해 우수하여 열 관리 또는 고속 통신과 같은 저온 애플리케이션에 적합합니다.

실리콘 카바이드 필름은 플라즈마 기반 화학 기상 증착(PCVD)을 비롯한 다양한 기술을 통해 만들 수 있습니다. 이렇게 생산된 필름은 광학 애플리케이션을 위해 특정 파장에 맞게 조정하거나 공진기 구조로 형성할 수 있으며, 다른 기판이나 절연 유리 기판과 같은 재료 위에 얇은 층으로 증착할 수도 있습니다.

분자 역학 시뮬레이션을 통해 비정질 SiC는 이종 핵 결합과 동종 핵 결합이 모두 존재하는 층상 구조를 가지며, 어닐링 시 그 비율이 변화한다는 사실이 입증되었습니다. 이 발견은 실험적으로 측정된 방사형 분포 함수를 확인시켜 줍니다.

애플리케이션

비정질 실리콘 카바이드는 확장성이 뛰어나 센서, 태양전지, 우주 탐사 기술, 구조용 복합재 등 다양한 고성능 애플리케이션에 이상적인 소재입니다. 또한 항복 강도가 케블라를 능가하여 초감도 마이크로칩 센서와 첨단 태양전지 및 우주 탐사 기술에 적합합니다. 또한 고유한 기계적 특성 덕분에 구조용 복합재 및 기계적 씰과 같은 견고한 소재에 스트레인 엔지니어링이 가능합니다.

다결정 실리콘(c-Si)은 서로 얽혀 있는 결정 구조를 특징으로 하는 반면, 비정질 실리콘(a-Si)은 작은 결정이 조직 내에 세밀하게 배열되어 있는 것이 특징입니다. 따라서 비정질 실리콘(a-Si)은 변형을 더 쉽게 견딜 수 있어 c-Si에 비해 낮은 공정 온도에서 더 얇은 필름을 만들 수 있습니다.

낮은 밀도는 고주파 진동과 결합된 박막 전극을 사용하여 뇌 활동을 자극하거나 기록하는 신경 인터페이스의 자산이 될 수도 있습니다. 안타깝게도 염증 반응과 임플란트의 두께 감소와 같은 생물학적 및 비생물학적 영향으로 인한 합병증으로 인해 만성 임플란트 동안 무결성을 유지하는 것이 점점 더 어려워질 수 있습니다.

기계적 특성 외에도 a-SiC는 신경 인터페이스용 패턴 공진기를 설계하는 데 유용한 인상적인 영스 모듈러스도 갖추고 있습니다. 이 애플리케이션을 시연하기 위해 연구팀은 a-SiC로 만든 멤브레인, 캔틸레버, 스트링을 제작 및 특성화하고, 분석적 적합성을 수행하여 고유 품질 계수, 영 계수, 푸아송 비율 및 밀도를 설정하고 유한 요소법 시뮬레이션을 실행하여 이러한 캔틸레버/스트링의 기본 모드 주파수를 예측했으며 그 결과가 실험 측정과 잘 일치한다는 것을 확인했습니다.

A-SiC는 차세대 고온, 고주파, 고전력 광전자 소자를 위한 유망한 반도체 소재입니다. 밴드 갭이 SiN 및 결정질 SiC보다 10배 이상 높은 3차 비선형성을 나타내므로 2광자 흡수 및 4파장 혼합 공정이 향상됩니다. 또한 열 안정성이 뛰어나 하이브리드 통합이 용이합니다. 또한 이 소재는 수소 도펀트가 풍부하여 내화학성이 우수하여 부식 에칭 및 마모에 대한 표면 패시베이션 표면 패시베이션 코팅으로 적합합니다.

미래

그동안 고강도 소재는 2D 및 결정질 소재가 주도해 왔지만, 비정질 실리콘 카바이드가 업계의 판도를 바꾸는 소재로 부상했습니다. 이 소재의 독특한 비정질 구조는 원자 배열이 정돈된 일관된 격자가 없음에도 불구하고 놀라운 강도를 제공하며, 실제로 중형 자동차 10대를 덕트 테이프에 매달아도 변형이 일어나지 않을 정도로 엄청난 응력을 견딜 수 있습니다.

A-SiC는 비정질 특성으로 인해 제조 과정에서 결정질 소재와 차별화되며, 액정 디스플레이와 엑스레이 이미저 등에 널리 사용되는 박막 트랜지스터(TFT)와 같은 생산 공정이 용이합니다. 주요 장점은 확장성입니다. 대규모 제조 공정을 위해 대규모 생산이 필요한 그래핀이나 다이아몬드와 달리 a-SiC는 웨이퍼 규모로 생산할 수 있습니다.

확장성은 마이크로칩 센서 기술의 다양한 응용 분야를 열어주었습니다. 내구성이 뛰어난 소재는 우주 공간의 혹독한 환경 조건으로부터 위성과 우주선을 더 잘 보호하고, 태양 전지 기술을 향상시켜 청정 에너지를 더 효율적으로 생산할 수 있게 해줍니다.

마지막으로, a-SiC는 통합 양자 포토닉스 애플리케이션을 위한 흥미로운 소재입니다. 넓은 밴드 갭과 통신 파장에서의 2광자 흡수 감소, 가시광선 및 근적외선 스펙트럼에 걸친 넓은 투명도 창을 갖춘 a-SiC는 단일 광자 소스 및 스핀 큐비트를 위한 탁월한 플랫폼입니다.

간단히 말해서, a-SiC의 혁신적인 특성은 곧 여러 산업을 변화시킬 것입니다. 강도와 확장성, 다용도성은 이미 초고속 통신과 광학 기술에서 중요한 역할을 하고 있지만, 가장 획기적인 응용 분야는 아마도 성간 탐사에 있을 것입니다. 엄청난 힘을 견디는 능력으로 화성이나 더 멀리 우주에 도달하는 로켓과 우주선이 이 소재를 활용할 수 있을 것입니다. 따라서 미래가 유망해 보이는 동시에 사회 전반에 미치는 영향도 막대합니다.