Amorfinis silicio karbidas

Kaip ir deimantas, grafenas ir kitos egzotiškos medžiagos, amorfinis silicio karbidas (a-SiC) yra itin stipri medžiaga, tačiau, skirtingai nuo savo kristalinių analogų, jo atomų išsidėstymas nėra tolydžiai tvarkingas.

Ši anomalija padeda paaiškinti, kaip šiai medžiagai pavyksta pasiekti tokį nepaprastą tempimo stiprį; profesorius Norte apskaičiavo, kad ant vienos a-SiC juostelės galima pakabinti iki 10 vidutinio dydžio automobilių, kol ji nesulūžta.

Charakteristikos

Silicio karbidas (SiC) yra neorganinis cheminis junginys, sudarytas iš anglies ir silicio. Natūraliai randamas kaip retas mineralas moisanitas, SiC taip pat gali būti naudojamas kaip abrazyvas arba neperšaunamų liemenių plokštelių keramikos medžiaga. Dėl daugybės technologinių pritaikymų jis yra nepaprastai perspektyvus - jo savybės svyruoja nuo kietumo ir didelių Youngo modulio verčių, puikių mechaninių ir elektrinių savybių, taip pat plataus skaidrumo lango matomuose bangų ilgiuose iki puikių mechaninių ir elektrinių charakteristikų jo kristalinėje formoje (c-SiC).

Pastaruoju metu SiC sulaukė mokslininkų susidomėjimo dėl savo ypatingo atsparumo tempimui. Ši naujoji medžiaga, kurioje dera kristalinės ir amorfinės medžiagos, pasižymi 10 kartų didesniu stiprumu nei neperšaunamoms liemenėms gaminti naudojamas kevlaras, todėl ji yra itin tvirta, tačiau lanksti medžiaga, tinkama daugeliui panaudojimo būdų, įskaitant itin jautrius mikroschemų jutiklius.

Amorfinis SiC sudarytas iš atsitiktinai sudėliotų "Lego" kaladėlių, kurių atominė struktūra neturi jokio taisyklingo rašto ar tvarkos, panašiai kaip ir ant lygaus paviršiaus. Tačiau, skirtingai nuo kristalinių analogų, atsitiktinumas lemia ne trapumą, o stiprina atsparumą ir universalumą; 10 gigaPaskalių stiprumas jį išskiria iš kitų medžiagų kaip įrodymas. Šis neįtikėtinas stiprumas reiškia, kad, norint šią medžiagą suardyti, ant jos turėtų užvažiuoti dešimt automobilių!

Dėl šių nepaprastų savybių a-SiC yra puiki medžiaga MEMS (mikroelektromechaninių sistemų) struktūroms, tokioms kaip membranos, konsolės ir stygos, gaminti. Be to, dėl žemesnės temperatūros, reikalingos nusodinimui, nei taikant c-SiC nusodinimo metodus, a-SiC taip pat gali būti naudojamas didelio našumo gamybai arba plokštelių nusodinimo procesams.

Siekdami įrodyti, kad a-SiC plėvelės pasižymi geresnėmis eksploatacinėmis savybėmis, pagaminome ir išmatavome žiedinius rezonatorius, pagamintus iš plonų šios medžiagos plėvelių. Rezonatoriai buvo pritaikyti pagal analitines išraiškas, o po to išanalizuoti taikant baigtinių elementų modeliavimą; rezultatai parodė, kad a-SiC plonų plėvelių vidiniai kokybės koeficientai yra didesni nei 4×105, o tai pranoksta net c-SiN ir kristalinio SiC kokybės koeficientus su 0,78 dB/cm bangolaidžio sklidimo nuostoliais, o tai yra esminis žingsnis siekiant naudoti šią medžiagą integruotose kvantinės fotonikos srityse.

Savybės

Amorfinis silicio karbidas pasižymi keliomis savybėmis, dėl kurių jis puikiai tinka naudoti fotoninėse platformose, įskaitant didelį cheminį selektyvumą, mažą šiluminio plėtimosi koeficientą, kietumą ir standumą - savybės, dėl kurių jis tinka mechaniniams jutikliams, pavyzdžiui, nanomechaniniams rezonatoriams. Be to, moksliniais tyrimais nustatyti išskirtiniai tempimo mechaninės kokybės veiksniai, dėl kurių amorfinis silicio karbidas yra viena geriausių medžiagų, tinkamų jėgos, pagreičio ir poslinkio jutikliams.

Amorfinio SiC Youngo modulis daug mažesnis nei jo silicio (c-Si) analogo, todėl jis yra lankstesnis ir gali būti naudojamas didelio ploto elektronikoje, pavyzdžiui, skystųjų kristalų ekranuose. Be to, jo amorfinė struktūra sumažina energijos kiekį, reikalingą norint pasiekti tokį pat elektros srovės tankį kaip ir silicio pagrindo analogo.

Dėl mažo šiluminio plėtimosi savybių PMMA yra puiki medžiaga metaliniams optiniams prietaisams, pvz., optiniams pluoštams ir lęšiams, apsaugoti nuo šiluminio plėtimosi, pvz., lęšiams. Deja, dėl jos trapumo ją sudėtinga naudoti birioms reikmėms, pavyzdžiui, langams ar veidrodžiams.

Amorfinis silicio karbidas yra ideali medžiaga optiniams bangolaidžiams ir stiprintuvams dėl savo stipraus trečiosios eilės netiesiškumo, todėl tai puiki medžiaga, kurioje galima panaudoti tarpines būsenas juostos tarpe, kurios dėl amorfinės struktūros sustiprinamos dviejų fotonų sugerties ir keturių bangų maišymo procesams.

Be to, amorfinis SiC pasižymi mažu šiluminiu ir elektriniu laidumu, todėl juo galima gerokai patobulinti integruotus optinius prietaisus. Be to, jo šiluminis laidumas yra palankus volframo ir boro karbido medžiagoms, todėl jis tinka naudoti žemoje temperatūroje, pavyzdžiui, šilumos valdymui ar greitojo ryšio sistemose.

Silicio karbido plėvelės gali būti sukurtos įvairiais metodais, įskaitant cheminį nusodinimą iš garų plazmoje (PCVD). Tokiu būdu pagamintos plėvelės gali būti derinamos prie tam tikrų bangos ilgių optinėms reikmėms arba formuojamos į rezonatorių struktūras; be to, jos gali būti nusodinamos kaip ploni sluoksniai ant kitų padėklų ar medžiagų, pavyzdžiui, izoliacinio stiklo padėklų.

Molekulinės dinamikos modeliavimas parodė, kad amorfinis SiC turi sluoksniuotą struktūrą, kurioje yra ir heteronuklearinių, ir homonuklearinių ryšių, kurių santykis keičiasi atkaitinant. Ši išvada patvirtina eksperimentiškai išmatuotas radialinio pasiskirstymo funkcijas.

Paraiškos

Amorfinio silicio karbido pritaikomumas lemia, kad jis yra ideali medžiaga daugeliui didelio našumo programų, įskaitant jutiklius, saulės elementus, kosmoso tyrimų technologijas ir struktūrinius kompozitus. Be to, jo takumo stipris viršija kevlaro stiprį, todėl jis tinka itin jautriems mikroschemų jutikliams, taip pat pažangiems saulės elementams ir kosmoso tyrimų technologijoms. Be to, jo unikalios mechaninės savybės leidžia atlikti deformacijų inžineriją, kuri leidžia atlikti deformacijų inžineriją tvirtose medžiagose, pavyzdžiui, struktūriniuose kompozituose ir mechaniniuose sandarikliuose.

Polikristalinis silicis (c-Si) pasižymi susipynusia kristaline struktūra, o amorfinis silicis (a-Si) - smulkiais kristalitais, kurie jo tekstūroje išsidėstę granuliuotai. Todėl amorfinis silicis (a-Si) lengviau toleruoja deformacijas, todėl galima gaminti plonesnes plėveles žemesnėje technologinėje temperatūroje nei naudojant c-Si.

Mažas tankis taip pat gali būti naudingas nervinėms sąsajoms, kurios remiasi plonos plėvelės elektrodais ir aukšto dažnio vibracijomis, kad stimuliuotų arba registruotų smegenų veiklą. Deja, išlaikyti jų vientisumą lėtinio implantavimo metu gali tapti vis didesniu iššūkiu dėl komplikacijų, kurias sukelia tiek biologiniai, tiek abiotiniai veiksniai, pavyzdžiui, uždegiminės reakcijos ir implantų storio sumažėjimas.

Be mechaninių savybių, a-SiC taip pat pasižymi įspūdingu Youngo moduliu, todėl jis naudingas kuriant neuroninėms sąsajoms skirtus raštuotus rezonatorius. Kad įrodytų šį taikymą, komanda pagamino ir apibūdino membranas, kantiles ir stygas, pagamintas iš a-SiC; atliko analitinį atitikimą, kad nustatytų jų vidinį kokybės koeficientą, Youngo modulį, Puasono santykį ir tankį; baigtinių elementų metodu atliko modeliavimą, kad numatytų šių kantilių ir (arba) stygų pagrindinius modų dažnius; nustatė, kad jų rezultatai gerai sutampa su eksperimentiniais matavimais.

A-SiC yra perspektyvi puslaidininkinė medžiaga naujos kartos aukštos temperatūros, aukšto dažnio ir didelės galios optoelektroniniams prietaisams. Jos juostos tarpas pasižymi dideliu trečiosios eilės netiesiškumu, kuris yra 10 kartų didesnis nei SiN ir kristalinio SiC, todėl sustiprėja dviejų fotonų sugerties ir keturių bangų maišymosi procesai. Be to, jo šiluminis stabilumas palengvina hibridinę integraciją. Be to, ši medžiaga pasižymi geru cheminiu atsparumu, nes yra gausus vandenilio dopantų šaltinis; todėl ji tinkama kaip paviršiaus pasyvacijos danga, apsauganti nuo korozijos ėsdinimo ir dilimo.

Ateitis

Tuo metu, kai didelio stiprumo medžiagose istoriškai dominavo 2D ir kristalinės medžiagos, amorfinis silicio karbidas tapo pramonės žaidimų keitikliu. Unikali šios medžiagos amorfinė struktūra suteikia jai nepaprastą tvirtumą, nors ji neturi jokios nuoseklios gardelės su tvarkingu atomų išsidėstymu; iš tikrųjų ji gali atlaikyti milžinišką įtampą, prilygstančią 10 vidutinio dydžio automobilių pakabinimo ant lipnios juostos juostos, ir tik tada pasiduoti įtempimui.

A-SiC išsiskiria iš savo kristalinių analogų, kai kalbama apie gamybą, nes yra amorfinio pobūdžio; ši medžiaga palengvina gamybos procesus, pavyzdžiui, plonasluoksnių tranzistorių (TFT), kurie plačiai naudojami skystųjų kristalų ekranuose ir rentgeno spindulių vaizduokliuose, be daugelio kitų paskirčių. Pagrindinis privalumas yra mastelio keitimas: skirtingai nei grafeno ir deimanto, kuriems reikia didelių gamybos serijų, a-SiC gali būti gaminamas plokštelių masteliu.

Dėl mastelio keitimo atsirado daugybė mikroschemų jutiklių technologijos taikymo sričių. Patvarios medžiagos geriau apsaugo palydovus ir erdvėlaivius nuo atšiaurių aplinkos sąlygų, su kuriomis susiduriama kosmose, ir netgi gali patobulinti saulės elementų technologiją, kad būtų galima efektyviau gaminti švarią energiją.

Galiausiai, a-SiC yra įdomi medžiaga integruotos kvantinės fotonikos taikymams. Dėl plataus juostos tarpo ir mažesnės dviejų fotonų absorbcijos telekomunikacijų bangų ilgiuose, taip pat dėl plataus skaidrumo lango regimajame ir artimajame infraraudonajame spektre a-SiC yra puiki platforma pavienių fotonų šaltiniams ir sukinio kubitams.

Netrukus a-SiC revoliucinės savybės pakeis daugelį pramonės šakų. Jos tvirtumas, pritaikomumas ir universalumas jau dabar vaidina lemiamą vaidmenį itin sparčių ryšių ir optinių technologijų srityje, tačiau bene novatoriškiausias jos pritaikymas yra tarpžvaigždiniuose tyrimuose, kur dėl jos gebėjimo atlaikyti ypatingas jėgas raketos ir kosminiai laivai, naudodami šią medžiagą, gali pasiekti Marsą ar net tolimesnius mūsų visatos kampelius. Taigi, jos ateitis atrodo daug žadanti, o jos poveikis visai visuomenei - didžiulis.