Amorfs silīcija karbīds

Tāpat kā dimants, grafēns un citi eksotiskie materiāli, amorfais silīcija karbīds (a-SiC) ir ārkārtīgi izturīgs materiāls – tomēr, atšķirībā no saviem kristāliskajiem analogiem, tā atomu izkārtojumā nav novērojama tāla darbības rādiusa kārtība.

Šī anomālija palīdz izskaidrot, kā šim materiālam izdodas sasniegt tik ievērojamu stiepes izturību; profesors Norte lēš, ka pie vienas a-SiC sloksnes varētu piekārt līdz pat 10 vidēja izmēra automašīnām, pirms tā pārplīst.

Raksturojums

Silīcija karbīds (SiC) ir neorganisks ķīmiskais savienojums, kas sastāv no oglekļa un silīcija. Dabā tas sastopams kā retā minerāla moissanīta veidā, taču SiC var atrast arī kā abrazīvu materiālu vai kā keramikas plāksnes bruņu vestēs. Ņemot vērā tik daudzveidīgos tehnoloģiskos pielietojumus, tam piemīt milzīgs potenciāls – tā īpašības ietver cietību un augstus Janga moduļa rādītājus, izcilas mehāniskās un elektriskās īpašības, kā arī plašu caurspīdīguma diapazonu redzamās gaismas viļņu garumos, līdz pat izcilām mehāniskajām un elektriskajām īpašībām kristāla formā (c-SiC).

SiC pēdējā laikā ir piesaistījis zinātnieku uzmanību, pateicoties savai izcilajai stiepes izturībai. Šis jaunais materiāls, kurā apvienoti gan kristāliski, gan amorfi materiāli, var lepoties ar plūstamības robežu, kas ir 10 reizes lielāka nekā Kevlaram, ko izmanto bruņu vestēs — tādējādi tas ir ārkārtīgi izturīgs, taču vienlaikus elastīgs materiāls, kas piemērots daudziem lietojumiem, tostarp ultrasensitīviem mikroshēmu sensoriem.

Amorfais SiC sastāv no haotiski sakrautiem „Lego” klucīšiem, kuriem nav regulāra modeļa vai kārtības atomu struktūrā, līdzīgi kā tas izskatās, ja to novieto plaknē uz virsmas. Taču atšķirībā no kristāliskajiem SiC materiāliem šī haotiskā struktūra nerada trauslumu, bet gan palielina izturību un daudzpusību; to pierāda 10 gigapaskalu izturība, kas šo materiālu izceļ no citiem. Šī neticamā izturība nozīmē, ka, lai šo materiālu salauztu, uz tā būtu jānovieto desmit automašīnas!

Šīs izcilās īpašības padara a-SiC par lielisku materiālu MEMS (mikroelektromehānisko sistēmu) struktūru, piemēram, membrānu, konsolveida elementu un stīgu, izgatavošanai. Turklāt, tā kā nogulsnēšanai nepieciešamās temperatūras ir zemākas nekā c-SiC nogulsnēšanas metodēs, a-SiC nodrošina arī augstu ražošanas iznākumu vai nogulsnēšanas procesus plātnes mērogā.

Lai pierādītu a-SiC plēvju izcilo veiktspēju, mēs izgatavojām un izmērījām gredzenveida rezonatorus, kas izgatavoti no šī materiāla plānajām plēvēm. Pirms analīzes, izmantojot galīgo elementu metodes simulāciju, rezonatoriem tika piemērotas analītiskas formulas; rezultāti liecināja, ka a-SiC plānajām plēvēm ir raksturīgie kvalitātes koeficienti, kas pārsniedz 4×10⁵, pārspējot pat c-SiN un kristāliskā SiC rādītājus ar viļņvada izplatīšanās zudumu 0,78 dB/cm – tas ir būtisks solis ceļā uz šī materiāla izmantošanu integrētajās kvantu fotonikas lietojumprogrammās.

Īpašības

Amorfajam silīcija karbīdam piemīt vairākas īpašības, kas to padara par lielisku izvēli izmantošanai fotoniskajās platformās, tostarp augsta ķīmiskā selektivitāte, zems siltuma izplešanās koeficients, cietība un stingrība — īpašības, kas to padara piemērotu mehānisko sensoru lietojumiem, piemēram, nanomehāniskajiem rezonatoriem. Turklāt pētījumos ir konstatēti izcilie mehāniskie stiepes kvalitātes koeficienti, kas padara amorfo silīcija karbīdu par vienu no labākajiem materiāliem spēka, paātrinājuma un pārvietojuma sensoru lietojumiem.

Amorfajam SiC ir daudz zemāks Janga modulis nekā tā silīcija (c-Si) analogam, tādējādi padarot to elastīgāku izmantošanai lielformāta elektronikas lietojumos, piemēram, šķidro kristālu displejos. Turklāt tā amorfā struktūra samazina enerģijas patēriņu, kas nepieciešams, lai sasniegtu tādu pašu elektriskās strāvas blīvumu kā silīcija bāzes analogam.

Zemās termiskās izplešanās īpašības padara PMMA par lielisku materiālu, lai aizsargātu metāla optiskās ierīces, piemēram, optiskās šķiedras un lēcas, no termiskās izplešanās. Diemžēl tā trauslums apgrūtina tā izmantošanu liela apjoma lietojumos, piemēram, logu vai spoguļu izgatavošanā.

Amorfais silīcija karbīds izceļas kā ideāls materiāls optiskajiem viļņvadiem un pastiprinātājiem, pateicoties tā spēcīgajai trešās kārtas nelinearitātei, kas to padara par ideālu materiālu, lai izmantotu starpposma stāvokļus tā enerģijas joslas spraugā, kuri tiek pastiprināti, pateicoties tā amorfajām struktūrām, divu fotonu absorbcijas un četru viļņu sajaukšanās procesos.

Turklāt amorfajam SiC piemīt zema siltuma un elektriskā vadītspēja, kas ļauj ievērojami uzlabot integrētās optiskās ierīces. Turklāt tā siltuma vadītspēja ir labvēlīgi salīdzināma gan ar volframa, gan bora karbīda materiāliem, tādējādi padarot to piemērotu lietošanai zemas temperatūras apstākļos, piemēram, siltuma vadības sistēmās vai ātrdarbīgās sakaru sistēmās.

Silīcija karbīda plēves var izgatavot, izmantojot dažādas metodes, tostarp plazmas ķīmisko tvaika nogulsnēšanu (PCVD). Šādā veidā iegūtās plēves var pielāgot konkrētiem viļņu garumiem optiskajām lietojumprogrammām vai veidot no tām rezonatoru struktūras; turklāt tās var nogulsnēt kā plānus slāņus uz citiem substrātiem vai materiāliem, piemēram, izolējoša stikla substrātiem.

Molekulārās dinamikas simulācijas ir parādījušas, ka amorfajam SiC ir slāņveida struktūra, kurā ir gan heteronukleāras, gan homonukleāras saites, kuru attiecība mainās pēc atkausēšanas. Šis atklājums apstiprina eksperimentāli noteiktās radiālās sadales funkcijas.

Pieteikumi

Amorfā silīcija karbīda mērogojamība padara to par ideālu materiālu daudziem augstas veiktspējas pielietojumiem, tostarp sensoriem, saules elementiem, kosmosa izpētes tehnoloģijām un strukturālajiem kompozītiem. Turklāt tā stiepes robežspēks pārsniedz Kevlara rādītājus, tādējādi padarot to piemērotu gan ultrajutīgiem mikroshēmu sensoriem, gan moderniem saules elementiem un kosmosa izpētes tehnoloģijām. Turklāt tā unikālās mehāniskās īpašības ļauj veikt deformācijas inženieriju, kas ir piemērota izturīgiem materiāliem, piemēram, strukturālajiem kompozītiem un mehāniskajiem blīvējumiem.

Polikristāliskajam silīcijam (c-Si) raksturīga savīta kristālu struktūra, savukārt amorfajam silīcijam (a-Si) — sīki kristālīti, kas tekstūrā izkārtoti granulveidīgi. Tādējādi amorfais silīcijs (a-Si) vieglāk iztur deformāciju, ļaujot izgatavot plānākas plēves ar zemākām apstrādes temperatūrām nekā tā analogam c-Si.

Zems blīvums var būt arī priekšrocība neironu saskarnēm, kuras izmanto plānas plēves elektrodus kopā ar augstfrekvences vibrācijām, lai stimulētu vai reģistrētu smadzeņu aktivitāti. Diemžēl to integritātes saglabāšana ilgstošas implantācijas laikā var kļūt arvien grūtāka, jo rodas komplikācijas, ko izraisa gan bioloģiskie, gan abiotiskie faktori, piemēram, iekaisuma reakcijas un implantu biezuma samazināšanās.

Papildus savām mehāniskajām īpašībām a-SiC izceļas arī ar iespaidīgu Janga moduļu, kas padara to noderīgu rakstveida rezonatoru izstrādē neironu saskarnēm. Lai demonstrētu šo pielietojumu, komanda izgatavoja un raksturoja no a-SiC veidotas membrānas, konsoles un stīgas; veica analītisku pielāgojumu, lai noteiktu to iekšējo kvalitātes koeficientu, Janga moduļu, Puasona koeficientu un blīvumu; veica simulācijas, izmantojot galīgo elementu metodi, lai prognozētu šo konsolu/stīgu pamatfrekvences; un konstatēja, ka rezultāti labi saskan ar eksperimentālajiem mērījumiem.

A-SiC ir daudzsološs pusvadītāju materiāls nākamās paaudzes augsttemperatūras, augstfrekvences un lieljaudas optoelektroniskajām ierīcēm. Tā enerģijas spraugai piemīt ievērojama trešās kārtas nelinearitāte, kas ir 10 reizes lielāka nekā SiN un kristāliskajam SiC, kas veicina pastiprinātu divu fotonu absorbciju un četru viļņu sajaukšanās procesus. Turklāt tā termiskā stabilitāte atvieglo hibrīdo integrāciju. Turklāt šis materiāls izceļas ar labu ķīmisko izturību, jo ir bagātīgs ūdeņraža leģētāju avots; tādējādi tas ir piemērots kā virsmas pasivizācijas pārklājums pret koroziju, ēšanu un nodilumu.

Nākotne

Laikā, kad augstas izturības materiālu jomā vēsturiski dominējuši 2D un kristāliski materiāli, amorfais silīcija karbīds ir kļuvis par nozares revolūciju. Šī materiāla unikālā amorfā struktūra nodrošina tam ārkārtēju izturību, neskatoties uz to, ka tam nav saskaņota kristālrežģa ar sakārtotu atomu izkārtojumu; faktiski tas spēj izturēt milzīgu slodzi – tādu, kas atbilst 10 vidēja izmēra automašīnu piekāršanai pie līmlentes strēles, pirms tas beidzot neiztur spriedzi.

A-SiC ražošanas procesā atšķiras no saviem kristāliskajiem analogiem, pateicoties savam amorfajam raksturam; šis materiāls ļauj vienkārši īstenot ražošanas procesus, piemēram, plānslāņa tranzistoru (TFT) izgatavošanu, kurus plaši izmanto šķidro kristālu displejos un rentgena attēlveidotājos, kā arī daudzos citos pielietojumos. Viena no galvenajām priekšrocībām ir mērogojamība: atšķirībā no grafēna un dimanta, kuru ražošanai lielā apjomā nepieciešamas lielas partijas, a-SiC ražošana var notikt plāksnes mērogā.

Mērogojamība ir pavērusies daudzas pielietojuma iespējas mikroshēmu sensoru tehnoloģijā. Izturīgi materiāli nodrošina labāku aizsardzību satelītiem un kosmosa kuģiem pret skarbiem vides apstākļiem, ar kuriem tie saskaras kosmosā; turklāt tie varētu pat uzlabot saules elementu tehnoloģiju, ļaujot efektīvāk ražot tīru enerģiju.

Visbeidzot, a-SiC ir daudzsološs materiāls integrētiem kvantu fotonikas pielietojumiem. Pateicoties plašajai enerģijas spraugai un samazinātajai divu fotonu absorbcijai telekomunikāciju viļņu garumos, kā arī plašajam caurspīdīguma diapazonam redzamās un tuvu infrasarkanās spektra daļās, a-SiC ir lieliska platforma vienfotonu avotiem un spinu kubitiem.

Īsumā sakot, a-SiC revolucionārās īpašības drīz pārveidos vairākas nozares. Tā izturība, pielāgojamība un daudzpusība jau tagad spēlē izšķirošu lomu ultraātrgaitas sakaros un optiskajās tehnoloģijās; taču, iespējams, visnovatoriskākais tā pielietojums ir starpzvaigžņu izpētē, kur tā spēja izturēt ārkārtējas slodzes varētu ļaut raķetēm un kosmosa kuģiem, kas izmanto šo materiālu, sasniegt Marsu vai pat doties vēl tālāk mūsu Visumā. Tādējādi tā nākotne šķiet daudzsološa, turklāt tā ietekme uz sabiedrību kopumā ir milzīga.