Wetenschappers hebben amorf siliciumcarbide ontwikkeld, een sterk, schaalbaar materiaal dat kan worden gebruikt in microchipsensoren, zonnecellen en ruimteverkenning. Deze doorbraak zal naar verwachting leiden tot aanzienlijke vooruitgang in de materiaalkunde en microchiptechnologie. Treksterktetestgrafiek van amorfe siliciumcarbide nanoringen. De sterkte van dit materiaal is niet alleen vergelijkbaar met diamant en grafeen, maar de vloeigrens is tien keer zo groot als die van Kevlar, een materiaal dat bekend staat om zijn gebruik in kogelvrije vesten.
Al tientallen jaren worden dunne-filmmaterialen gebruikt om zeer gevoelige mechanische resonatoren onder hoge trekbelastingen te realiseren. Hoewel er grote vooruitgang is geboekt bij het realiseren van mechanische sensoren met lage dissipatie die gebruik maken van hoge trekspanningen, worden de prestaties van zelfs de beste strategieën beperkt door de treksterkte van het resonatormateriaal.
Onderzoekers van de TU Delft hebben onder leiding van universitair docent Richard Norte een buitengewoon nieuw materiaal geïntroduceerd dat impact belooft te hebben op de wereld van de materiaalkunde: amorf siliciumcarbide (a-SiC).
Dit materiaal is niet alleen extreem sterk, het heeft ook mechanische eigenschappen die cruciaal zijn voor de trillingsisolatie van microchips. Amorf siliciumcarbide is daarom bijzonder geschikt voor het maken van ultragevoelige microchipsensoren.
Het scala aan mogelijke toepassingen is zeer breed. Van ultragevoelige microchipsensoren en geavanceerde zonnecellen tot baanbrekende ruimteverkenning en DNA-sequencingtechnologie. De sterktevoordelen van het materiaal in combinatie met de schaalbaarheid maken het ongelooflijk veelbelovend.
"Om deze belangrijke eigenschap van amorf zijn beter te begrijpen, kun je de meeste materialen beschouwen als opgebouwd uit atomen die in een regelmatig patroon zijn gerangschikt, zoals een ingewikkelde Lego-toren", legt Knott uit. "Deze materialen worden 'kristallijne' materialen genoemd, zoals diamant. De koolstofatomen zijn volledig. Amorfe materialen lijken op willekeurig gestapelde Legoblokjes, maar in tegenstelling tot de verwachtingen leidt deze willekeur niet tot kwetsbaarheid. In feite demonstreert amorf siliciumcarbide de kracht die deze willekeur creëert."
Het nieuwe materiaal heeft een treksterkte van 10 gigapascal (GPa). "Om te begrijpen wat dit betekent, moet je je voorstellen dat je probeert een stuk tape uit te rekken totdat het breekt", zei Knott. "Als je het equivalent van 10 GPa trekspanning wilt simuleren, zou je ongeveer tien middelgrote auto's achter elkaar aan de tape moeten hangen voordat deze kapot gaat."
nanoveer
De onderzoekers gebruikten een innovatieve methode om de treksterkte van het materiaal te testen. Hoewel traditionele methoden fouten kunnen veroorzaken vanwege de manier waarop het materiaal op zijn plaats wordt gehouden, werd er gebruik gemaakt van microchiptechnologie. Door een dunne film van amorf siliciumcarbide op een siliciumsubstraat te laten groeien en deze op te hangen, maakten ze gebruik van de geometrie van de nanoringen om hoge trekkrachten te induceren. Door veel van deze constructies te maken en de trekkracht te vergroten, observeerden ze zorgvuldig het breekpunt. Deze op microchips gebaseerde aanpak zorgt niet alleen voor ongekende precisie, maar maakt ook de weg vrij voor toekomstige materiaaltests.
Waarom moeten we ons zorgen maken over nanoringen? Nanoringen zijn de meest elementaire bouwstenen en de basis voor het bouwen van complexere hangende structuren. Het aantonen van een hoge vloeigrens in nanoringen is het aantonen van sterkte in zijn meest basale vorm.
Van micro tot macro
Wat dit materiaal uniek maakt, is de schaalbaarheid ervan. Grafeen, opgebouwd uit een enkele laag koolstofatomen, staat bekend om zijn verbazingwekkende sterkte, maar is moeilijk in grote hoeveelheden te produceren. Hoewel diamanten ongelooflijk sterk zijn, zijn ze zeldzaam van aard en duur om te synthetiseren. Amorf siliciumcarbide daarentegen kan op wafelschaal worden geproduceerd, waardoor dit ongelooflijk sterke bulkmateriaal ontstaat.
"Met de komst van amorf siliciumcarbide staan we op de drempel van microchiponderzoek vol technologische mogelijkheden", concludeerde Knott.
Dit sterke dunnefilmmateriaal heeft een groot potentieel voor toepassingen in nanomechanische sensoren, zonnecellen, biologische toepassingen, ruimteverkenning en andere gebieden waar sterkte en stabiliteit vereist zijn in dynamische omgevingen. De bevindingen van deze studie openen nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van amorfe dunne-filmmaterialen in hoogwaardige toepassingen.
Samengestelde bron: ScitechDaily