Тонкая пленка из аморфного карбида кремния

Аморфный карбид кремния (a-SiC) привлек к себе огромное внимание благодаря своим переменным оптическим и электронным свойствам. Поскольку он отличается жесткостью, низкими показателями теплового расширения и прозрачностью в видимом свете, он является привлекательным материалом для зеркал телескопов.

Материаловедение переживает революцию с появлением этого нового материала - a-SiC. Его свойства, сочетающие прочность, случайность и точность, могут произвести революцию в технологии микрочипов.

Прочность

Кристаллический карбид кремния (c-SiC) обычно намного прочнее своего аморфного аналога, однако новое открытие в области аморфной тонкой пленки Si-C открывает двери для высокоэффективных механических и оптических устройств. С пределом прочности на разрыв в 10 ГПа при производстве тонких пленок в масштабах пластины аморфный SiC вошел в элитный клуб, в который входят только самые прочные материалы, такие как графеновые нановолокна.

Пленки на основе Si-C могут производиться в масштабах пластин и легко приспосабливаться к различным подложкам, что делает их очень адаптируемыми и характеризует превосходную химическую инертность, твердость и механическую стабильность по сравнению с другими покрытиями [1. Это делает их пригодными для использования в качестве защитных покрытий, а также в качестве армирующего материала в керамических матричных композитах, используемых в газовых горелках, термопечатающих головках и топливных элементах; они также широко применяются в качестве МЭМС-датчиков и интегрированных фотонных приложений [1-3].

a-SiC легко легируется азотом и фосфором, образуя полупроводник n-типа, а легирование бором, алюминием и галлием переводит его в p-тип. Кроме того, благодаря своей прочности, прозрачности для видимого света, замена атомов кремния на атомы углерода обеспечивает большую гибкость при проектировании и создании устройств. a-SiC осаждается с помощью низкотемпературного химического осаждения из паровой фазы (CVD) в качестве жизнеспособной альтернативы c-SiC и его аналога c-SiC.

Случайности

Аморфный карбид кремния (a-SiC) быстро становится все более популярным благодаря своему огромному потенциалу в различных областях применения. Одно из самых замечательных его свойств - прочность; вопреки традиционным ожиданиям, он растягивается до 10 гигапаскалей (ГПа). Это означает, что на одну полоску скотча можно повесить 10 автомобилей среднего размера, прежде чем он поддастся под действием напряжения.

Прочность a-SiC достигается благодаря его неупорядоченной атомной структуре. В то время как кристаллический кремний имеет четырехкратную координацию атомов, расположенных в упорядоченной кристаллической решетке, случайное расположение атомов в a-SiC создает непрерывную случайную сеть, которая делает материал чрезвычайно прочным.

Импульсное магнетронное распыление позволяет получать пленки a-SiC со структурой, напоминающей колонну или цветную капусту, в зависимости от мощности напыления. После отжига эта структура релаксирует, и в ней появляется больше гетероядерных (Si-Si) связей, чем гомоядерных (Si-C).

Разнообразие структуры позволяет в процессе синтеза адаптировать различные электронные и оптические свойства SiC к индивидуальным условиям применения, начиная с химических модификаций, таких как добавление водорода в осаждающий газ для химического изменения, и заканчивая механическим изготовлением кольцевых резонаторов с коэффициентом качества 4,66×105 при комнатной температуре, изготовленных с использованием этого материала - две характеристики, которые обеспечивают огромный контроль над его электронными и оптическими свойствами.

Точность

Аморфный карбид кремния выделяется среди других известных материалов, таких как графен и алмазы, своей уникальной аморфной природой; в отличие от графена, состоящего из одного слоя углерода, который составляет весь его состав; в отличие от масштабируемости, как у графена, он обеспечивает гораздо большую универсальность для использования во многих областях.

Аморфный карбид кремния уже давно выбран в качестве активного слоя для TFT-элементов, используемых в электронике большой площади, например, в жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях). Такой выбор обусловлен его более низкой стоимостью и превосходными электронными характеристиками по сравнению с кристаллическим кремнием.

Но его аморфная структура также дает ему важное преимущество: устойчивость к хрупкости. Норте рассказывает об этом подробнее: Большинство материалов имеют упорядоченную структуру, как башни Lego, однако аморфный карбид кремния лишен этой структуры и больше напоминает беспорядочно сложенные блоки Lego, чем искусно собранные. Хотя это может показаться нелогичным, отсутствие однородности на самом деле повышает прочность.

Таким образом, полоски аморфного карбида кремния могут выдерживать в 10 раз большее растягивающее напряжение, чем его алмазный аналог, что делает его идеальным кандидатом для точных испытаний на растяжение на кристалле. Кроме того, его аморфная природа хорошо поддается сухому травлению, которое вызывает минимальные возмущения взвешенных наноструктур для точного тестирования по сравнению с влажным травлением, которое может нарушить его кристаллическую структуру, в отличие от кристаллического кремния, который требует влажного травления, что может полностью нарушить его целостность.

Масштабируемость

В отличие от графена или алмаза, которые требуют дефицитных и дорогостоящих производственных процессов, аморфный карбид кремния может массово производиться на производственных линиях в масштабе пластин, что открывает новые возможности для создания точных и надежных датчиков для микрочипов.

Аморфный карбид кремния - необычный материал, сочетающий в себе случайность и точность. Его прочность на разрыв превосходит прочность таких популярных материалов, как кевлар; для примера, чтобы сломать одну полоску, потребуется вес, эквивалентный весу 12 автомобилей среднего размера!

Впечатляющий результат для такого тонкого материала. Масштабируемость означает высокую механическую прочность для подвешивания хрупких нанострун. Это демонстрирует способность достигать высокой прочности в сложных подвесных структурах, открывая двери для таких применений, как сверхчувствительные датчики для микрочипов, усовершенствованные солнечные батареи и технологии для освоения космоса.

a-SiC демонстрирует отличную химическую стойкость к распространенным травлениям для микрообработки поверхности, используемым сегодня, что делает его идеальным материалом для использования в качестве жертвенного слоя в процессах микрообработки. Кроме того, его химическая инертность позволяет использовать сухие травители, которые позволяют вытравливать подрезы без повреждения нанострунных структур, что создает основу для будущих исследований по использованию присущих ему гибких прочных свойств.