Tunnfilm av amorf kiselkarbid

Amorf kiselkarbid (a-SiC) har fått stor uppmärksamhet på grund av sina varierande optiska och elektroniska egenskaper. Eftersom materialet är styvt, har låg värmeutvidgning och är genomskinligt i synligt ljus är det ett attraktivt material för teleskopspeglar.

Materialvetenskapen genomgår just nu en revolution i och med introduktionen av det nya materialet a-SiC. Med egenskaper som kombinerar styrka med slumpmässighet och precision kan dess inverkan revolutionera mikrochiptekniken.

Styrka

Kristallin kiselkarbid (c-SiC) är vanligtvis mycket starkare än sin amorfa motsvarighet, men en ny upptäckt av en amorf Si-C-tunnfilm öppnar dörren för högpresterande mekaniska och optiska enheter. Med en draghållfasthet på 10GPa för tunnfilmsproduktion i waferskala har amorf Si-C hamnat i en elitklubb som endast är reserverad för de starkaste materialen, t.ex. nanoribbons av grafen.

Si-C-baserade filmer kan tillverkas i waferskala och enkelt anpassas till olika substrat, vilket gör dem mycket anpassningsbara och ger dem överlägsen kemisk inertitet, hårdhet och mekanisk stabilitet jämfört med andra beläggningar [1. Detta gör dem lämpliga som skyddsbeläggningar samtidigt som de också fungerar som förstärkningsmaterial i keramiska matriskompositer som används i gasförbränningsanläggningar, termiska tryckhuvuden och bränsleceller; de används också i stor utsträckning som MEMS-sensorer och integrerade fotonikapplikationer [1-3].

a-SiC kan enkelt dopas med kväve och fosfor för att bilda en halvledare av n-typ, medan dopning med bor, aluminium och gallium omvandlar den till p-typ. På grund av sin styrka är den dessutom transparent för synligt ljus genom att kiselatomer ersätts med kolatomer, vilket ger större designflexibilitet under tillverkningsprocessen. a-SiC deponeras med hjälp av kemisk förångningsdeposition (CVD) vid låg temperatur och är ett gångbart alternativ till c-SiC och dess motsvarighet c-SiC.

Slumpmässighet

Amorf kiselkarbid (a-SiC) har snabbt blivit alltmer populär på grund av sin stora potential inom olika tillämpningsområden. En av dess mest anmärkningsvärda egenskaper är dess styrka, som trotsar traditionella förväntningar genom att sträcka sig upp till 10 gigaPascal (GPa). Det innebär att man kan hänga upp 10 medelstora bilar på en remsa silvertejp innan den ger vika på grund av påfrestningar.

Styrkan i a-SiC uppnås tack vare dess oordnade atomstruktur. Medan kristallint kisel har fyrfaldigt koordinerade atomer som är arrangerade i ett ordnat kristallgitter, skapar a-SiC:s slumpmässiga arrangemang ett kontinuerligt slumpmässigt nätverk som gör materialet extremt starkt.

Pulsad magnetronsputtering producerar filmer av a-SiC med antingen en kolonn- eller blomkålsliknande struktur, beroende på sputteringseffekten. Efter glödgning slappnar denna struktur av och det finns fler heteronukleära (Si-Si) bindningar än homonukleära (Si-C) bindningar i strukturen.

Strukturens mångfald gör det möjligt att skräddarsy olika elektroniska och optiska egenskaper hos SiC för individuella tillämpningar, från kemiska modifieringar som att tillsätta väte i deponeringsgasen för kemisk förändring till mekanisk tillverkning med 4,66×105 kvalitetsfaktorer som uppnås vid rumstemperatur för ringresonatorer som tillverkas med detta material - två egenskaper som ger en enorm kontroll över dess elektroniska och optiska egenskaper.

Precision

Amorf kiselkarbid skiljer sig från andra välkända material som grafen och diamanter genom sin unika amorfa natur; till skillnad från grafen som består av ett lager kol, vilket utgör hela dess sammansättning; i motsats till att vara skalbart som grafen ger det mycket större mångsidighet för användning i många applikationer.

Amorf kiselkarbid har länge valts som det aktiva skiktet i TFT-element som används i elektronikapplikationer med stora ytor, t.ex. LCD-skärmar (Liquid Crystal Displays). Detta val beror på dess lägre kostnader och överlägsna elektroniska prestanda jämfört med kristallint kisel.

Men dess amorfa struktur ger den också en viktig fördel: motståndskraft mot sprödhet. Norte utvecklar: De flesta material har ordnade strukturer som legotorn, men den amorfa kiselkarbiden saknar detta mönster och liknar mer slumpmässigt staplade legoblock än ett intrikat sammansatt block. Även om detta kan verka kontraintuitivt, ökar dess brist på enhetlighet faktiskt styrkan.

Remsor av amorf kiselkarbid tål 10 gånger mer dragspänning än motsvarande diamantremsor, vilket gör dem till idealiska kandidater för exakta dragprov på chip. Dessutom lämpar sig dess amorfa natur väl för torra etsningsmedel som orsakar minimala störningar på suspenderade nanostrukturer för noggrann testning jämfört med våta etsningsmedel som kan äventyra dess kristallstruktur i motsats till kristallint kisel som kräver våta etsningsmedel som kan störa dess integritet helt och hållet.

Skalbarhet

I motsats till grafen och diamant, som kräver knappa och dyra produktionsprocesser, kan amorf kiselkarbid massproduceras på produktionslinjer i wafer-skala - vilket öppnar nya möjligheter att utforma mikrochipsensorer som är både exakta och robusta.

Amorf kiselkarbid är ett extraordinärt material som kombinerar slumpmässighet med precision. Dess draghållfasthet överträffar den hos populära material som Kevlar; för att ge ett perspektiv skulle det krävas en vikt motsvarande 12 medelstora bilar för att bryta en remsa!

En imponerande bedrift för ett så tunt material. Skalbarheten innebär hög mekanisk motståndskraft för upphängning av känsliga nanostringar. Detta visar på en förmåga att uppnå hög hållfasthet i komplexa upphängda strukturer, vilket öppnar dörrar för tillämpningar som ultrakänsliga mikrochipsensorer, avancerade solceller och rymdforskningsteknik.

a-SiC uppvisar utmärkt kemisk resistens mot de vanliga etsmedel som används idag för mikrobearbetning av ytor, vilket gör det till ett idealiskt material att använda som offerskikt i mikrobearbetningsprocesser. Dessutom tillåter dess kemiska inertitet torra etsmedel som gör att underskärningar kan etsas utan att skada nanostringstrukturer, vilket lägger grunden för framtida forskning som utforskar utnyttjandet av dess inneboende flexibla robusta egenskaper.