Tynnfilm av amorf silisiumkarbid

Amorft silisiumkarbid (a-SiC) har fått enorm oppmerksomhet på grunn av sine varierende optiske og elektroniske egenskaper. Siden det er stivt, har lav termisk ekspansjon og er gjennomsiktig i synlig lys, er det et attraktivt materiale for teleskopspeil.

Materialvitenskapen opplever en revolusjon med introduksjonen av dette nye materialet: a-SiC. Med egenskaper som kombinerer styrke med tilfeldighet og presisjon, kan dette materialet komme til å revolusjonere mikrochipteknologien.

Styrke

Krystallinsk silisiumkarbid (c-SiC) er vanligvis mye sterkere enn sitt amorfe motstykke, men en ny oppdagelse i en amorf Si-C-tynnfilm åpner døren for mekaniske og optiske enheter med høy ytelse. Med en maksimal strekkfasthet på 10 gPa for tynnfilmproduksjon i wafer-skala har amorf SiC kommet inn i en eliteklubb som kun er forbeholdt de sterkeste materialene, som for eksempel nanoribber av grafen.

Si-C-baserte filmer kan produseres på wafer-skala og lett tilpasses ulike substrater, noe som gjør dem svært tilpasningsdyktige og gir dem overlegen kjemisk inertitet, hardhet og mekanisk stabilitet sammenlignet med andre belegg [1]. Dette gjør dem egnet som beskyttende belegg, samtidig som de også fungerer som forsterkningsmateriale i keramiske matrikskompositter som brukes i gassforbrennere, termiske trykkhoder og brenselceller. De brukes også i stor utstrekning som MEMS-sensorer og i integrerte fotonikkapplikasjoner [1-3].

a-SiC kan enkelt dopes med nitrogen og fosfor for å danne en n-type halvleder, mens doping med bor, aluminium og gallium vil konvertere den til p-type status. På grunn av sin styrke er a-SiC dessuten gjennomsiktig for synlig lys ved at silisiumatomer erstattes med karbonatomer, noe som gir større designfleksibilitet ved konstruksjon og produksjon av enheter. a-SiC avleires ved hjelp av kjemisk dampavsetning (CVD) ved lav temperatur, og er et levedyktig alternativ til c-SiC og dets motstykke c-SiC.

Tilfeldigheter

Amorft silisiumkarbid (a-SiC) har raskt blitt stadig mer populært på grunn av sitt enorme potensial innen en rekke bruksområder. En av de mest oppsiktsvekkende egenskapene er styrken, som trosser tradisjonelle forventninger ved å strekke seg opp til 10 gigaPascal (GPa). Det betyr at du kan henge 10 mellomstore biler på en stripe gaffatape før den gir etter på grunn av stress.

Styrken i a-SiC oppnås på grunn av den uordnede atomstrukturen. Mens krystallinsk silisium har firefoldig koordinerte atomer ordnet i et ordnet krystallgitter, skaper a-SiCs tilfeldige arrangementer et kontinuerlig, tilfeldig nettverk som gjør materialet ekstremt sterkt.

Pulserende magnetronforstøvning produserer filmer laget av a-SiC med enten en søyle- eller blomkållignende struktur, avhengig av forstøverkraften. Etter gløding slapper denne strukturen av, med flere heteronukleære (Si-Si) bindinger enn homonukleære (Si-C) bindinger i strukturen.

Strukturmangfoldet gjør det mulig å skreddersy ulike elektroniske og optiske egenskaper ved SiC til individuelle bruksområder, fra kjemiske modifikasjoner som å tilsette hydrogen i deponeringsgassen for kjemisk endring til mekanisk produksjon med 4,66×105 kvalitetsfaktorer oppnådd ved romtemperatur ringresonatorer produsert ved hjelp av dette materialet - to egenskaper som gir enorm kontroll over dets elektroniske og optiske egenskaper.

Presisjon

Amorft silisiumkarbid skiller seg ut fra andre velkjente materialer som grafen og diamanter med sin unike amorfe natur. I motsetning til grafen, som består av ett lag med karbon, som utgjør hele sammensetningen, er amorft silisiumkarbid ikke skalerbart som grafen, men gir mye større allsidighet og kan brukes i mange ulike bruksområder.

Amorft silisiumkarbid har lenge vært valgt som aktivt lag i TFT-elementer som brukes i elektronikk med store flater, for eksempel LCD-skjermer (Liquid Crystal Displays). Dette valget skyldes lavere kostnader og overlegen elektronisk ytelse sammenlignet med krystallinsk silisium.

Men den amorfe strukturen gir den også en viktig fordel: motstandsdyktighet mot sprøhet. Norte utdyper: De fleste materialer har ordnede strukturer som legotårn, men amorft silisiumkarbid mangler dette mønsteret og ligner mer på tilfeldig stablede legoklosser enn på intrikat sammensatte klosser. Selv om dette kan virke kontraintuitivt, øker mangelen på ensartethet faktisk styrken.

Strimler av amorft silisiumkarbid tåler 10 ganger mer strekkbelastning enn tilsvarende diamant, noe som gjør det til en ideell kandidat for presis strekktesting på chipen. Dessuten egner det amorfe silisiumkarbidet seg godt til tørretsing, noe som gir minimale forstyrrelser i de suspenderte nanostrukturene og dermed muliggjør nøyaktig testing, sammenlignet med våtetsing, som kan ødelegge krystallstrukturen, i motsetning til krystallinsk silisium, som krever våtetsing, noe som kan forstyrre integriteten helt og holdent.

Skalerbarhet

I motsetning til grafen eller diamant, som krever knappe og kostbare produksjonsprosesser, kan amorft silisiumkarbid masseproduseres på produksjonslinjer i wafer-skala - noe som åpner nye muligheter for å designe mikrochipsensorer som er både presise og robuste.

Amorft silisiumkarbid er et ekstraordinært materiale som kombinerer tilfeldighet med presisjon. Strekkfastheten overgår den til populære materialer som Kevlar; for å sette det i perspektiv, vil det å knekke én stripe kreve en vekt som tilsvarer 12 mellomstore biler!

En imponerende prestasjon for et så tynt materiale. Skalerbarheten betyr høy mekanisk motstandskraft for oppheng av delikate nanostringer. Dette viser at det er mulig å oppnå høy yteevne i komplekse, opphengte strukturer, noe som åpner dører for bruksområder som ultrasensitive mikrochipsensorer, avanserte solceller og romforskningsteknologi.

a-SiC har utmerket kjemisk resistens mot de vanligste etsemidlene som brukes i dag, noe som gjør det til et ideelt materiale å bruke som offerlag i mikrobearbeidingsprosesser. Materialets kjemiske inertitet gjør det dessuten mulig å etse tørre etsemidler som gjør det mulig å etse underskjæringer uten å skade nanostringstrukturene, noe som legger grunnlaget for fremtidig forskning som utnytter materialets iboende fleksible og robuste egenskaper.