Eventueel, je telefoonoplader gaat dood.

Maand na maand door in en uit de poort te worden geduwd en getrokken, zal de beschermende film die de connector bedekt, aantasten. En dan, meestal wanneer je het het meest nodig hebt, je oplader schopt het, je telefoon volgt snel, en het leven zoals je het kent komt ongedaan te maken. Althans voor een tijdje.

Deze onvermijdelijke ineenstorting gebeurt natuurlijk met alles, van industriële systemen tot voertuigen tot nano-elektronica. Wrijving zorgt ervoor dat onderdelen tegen elkaar slepen, wat energie verspilt en materialen verslijt.

In feite, deze verliezen als gevolg van wrijving kosten de ontwikkelde landen naar schatting 0,5 tot 7 procent van hun jaarlijkse BBP. Een rapport van het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) van het Department of Energy stelt dat betere tribologische praktijken jaarlijks een biljard BTU's zouden kunnen besparen, of het equivalent van ongeveer 1 procent van het jaarlijkse energieverbruik van de Verenigde Staten. (Tribologie is de studie en toepassing van de principes van wrijving, smering, en dragen.)

Een van die praktijken is het creëren van sterkere, slijtvastere beschermfolies. In een interdisciplinaire samenwerking, Lehigh University-onderzoekers Dr. Nicholas Strandwitz en Dr. Brandon Krick die op de faculteit van Lehigh's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science en verbonden aan het Institute for Functional Materials and Devices (I-FMD) van de universiteit, geloof dat ze de moeilijkste hebben ontdekt, dunste, meest slijtvaste coatings tot nu toe - plasma-versterkte atomaire laag afgezet titanium en vanadiumnitrides.

"Dit nieuwe materiaal verslaat de commerciële coatings met orden van grootte in slijtageprestaties, ' zegt Krick.

In augustus 2018, de National Science Foundation (NSF) verleende Strandwitz, een assistent-professor materiaalkunde en techniek, en Krick, een assistent-professor werktuigbouwkunde en mechanica, een Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry (GOALI)-prijs om samen met een industriële partner te onderzoeken wat deze nitridefilms precies zo goed maakt.

Een GOALI-prijs ondersteunt gedeelde onderzoeksinteresses tussen academische en industriële partners. Het is bedoeld om kennis te vergroten die kan leiden tot doorbraken in kritieke industriële behoeften. De prijs duurt drie jaar, en in totaal meer dan $ 500, 000. Financiering voor het nitridenproject begon op 1 januari 2019.

Lage temps, conformiteit, en precisie leveren een diamantachtige taaiheid op

Van titaan- en vanadiumnitridefilms is al bekend dat ze extreem hard en slijtvast zijn. traditioneel, ze zijn gegroeid door te sputteren, gepulseerde laserafzetting, of chemische dampafzettingsmethoden. In een eerste, de medewerkers van de groep bij Veeco/CNT groeiden hun nitridefilms met behulp van plasma-versterkte atomaire laagafzetting, of PE-ALD. Veeco/CNT is een toonaangevende leverancier van ALD-systemen gevestigd in Waltham, Massachusetts.

"In atomaire laagafzetting, je bouwt één laag atomen tegelijk, ", zegt Strandwitz. "Het is een techniek die al wordt gebruikt in de micro-elektronica, zoals op die in je telefoon, waar je misschien een film nodig hebt die precies drie nanometer dik is. Als de film vier is, of twee, nanometer dik, je transistorschakelaar werkt niet. En je hebt een paar miljard transistors in je telefoon."

De techniek omvat een dampproces waarbij twee of meer zelfbeperkende chemische reacties worden gebruikt om één filmlaag tegelijk te laten groeien. In dit geval, een titaniumprecursor komt de kamer van het systeem binnen als een gas, reageert met het substraat, en vormt een monolaag. Overtollig titanium wordt weggezogen, dan het tweede gas, stikstof plasma, wordt erin gepompt. Het hecht zich aan het titanium, en vormt een tweede monolaag. Dit proces in twee stappen wordt herhaald totdat de film de gewenste dikte heeft bereikt.

De techniek wordt versterkt door een plasmagenerator, vandaar de PE in de PE-ALD.

"Voor het kweken van nitriden, je hebt veel thermische energie nodig, zoals 800 graden Celsius, " zegt Strandwitz. "Of, je hebt een plasma nodig om de stikstof reactiever te maken. Plasma genereren betekent dat we elektronen van de stikstofmoleculen afstoten terwijl ze in het gas rondvliegen. waardoor de stikstof reactiever wordt, zodat deze zich aan het oppervlak hecht en deel gaat uitmaken van de film. Als je er stikstofgas doorheen laat drijven, er zou niets gebeuren omdat het N2-molecuul superstabiel is. Dus met plasma, we kunnen deze films laten groeien bij 50 graden Celsius, net iets boven kamertemperatuur."

Het vermogen om films bij die temperatuur te laten groeien is de sleutel. Te hoge temperaturen kunnen gevoelige materialen zoals plastic en aluminium doen smelten en zelfs redelijk stabiele metalen brosser maken, zegt Strandwitz.

"Als je de mogelijkheid hebt om bij lage temperaturen te deponeren, komen er meer materialen vrij waarop je kunt deponeren, " hij zegt.

PE-ALD valt ook op door zijn conformiteit en precisie. In tegenstelling tot gezichtslijndepositietechnieken die gaten of schaduwen kunnen achterlaten, de gassen die in PE-ALD worden gebruikt, zorgen ervoor dat het volledige oppervlak van een substraat wordt bedekt, ongeacht de vorm of de complexiteit van de functies. En de zelfbeperkende reacties zorgen ervoor dat dekking plaatsvindt met een enkele laag moleculen tegelijk - niet meer, niet minder.

Toen Krick preliminaire tests uitvoerde van de hardheid en slijtage-eigenschappen van de titanium- en valdiumnitridefilms die waren gekweekt met PE-ALD, hij was onder de indruk van de resultaten.

"Deze films benaderen de slijtvastheid van diamanten, " zegt Krick. "Ze zijn 100 keer beter dan de commerciële nitridecoatings. Bijvoorbeeld, als je 10 nanometer probeert te dragen, het zou 50 cycli heen en weer schuiven vergen om zoveel in de commerciële coating te dragen. Het zou 5 duren, 000 met dit materiaal. Alles is cyclusafhankelijk, hoe lang iets meegaat, hangt af van hoeveel van deze duty-cycles het doorloopt. Denk dus eens aan die stekker in je telefoonoplader. Zoiets kan binnen een jaar of 18 maanden verslijten, om nooit te verslijten tijdens je leven."

De barrières voor ontdekking verlagen

Met de GOALI-award, Strandwitz en Krick gaan samenwerken met Veeco/CNT. Het multidisciplinaire team omvat Strandwitz wiens expertise ALD en dunne films omvat, Krick de specialist in tribologie, en medewerkers Mark Sowa bij Veeco/CNT en Alexander Kozen bij het United States Naval Research Laboratory, beide wereldberoemde wetenschappers op het gebied van ALD-instrumentatie en -verwerking. Het team omvat ook een groep getalenteerde afgestudeerde en Ph.D. Lehigh studenten, waaronder NSF Fellow Tomas Babuska en Guosong Zeng, een doctoraat aluin van Krick's lab die nu in het Lawrence Berkeley National Laboratory is.

De wetenschappers zullen de films laten groeien, terwijl het team van Strandwitz hun microstructuur zal onderzoeken en het team van Krick hun mechanische eigenschappen zal meten. Ze zullen "aan de knoppen draaien", zoals Strandwitz zegt, op variabelen zoals temperatuur, de hoeveelheid titanium die ze gebruiken ten opzichte van vanadium, en het gebruik van zuurstof in de films.

Alles om te bepalen wat deze films zo bijzonder maakt.

"Als we weten waarom ze zo goed zijn, we zouden een nieuw materiaal kunnen ontwerpen dat het nog verder uitbuit, ", zegt Strandwitz. "Dus als we een film wilden met bepaalde hardheids- of slijtage-eigenschappen, als we begrijpen hoe het systeem werkt, daar kunnen we het op afstemmen."

Ze zien tal van potentiële toepassingen voor de films - die ook corrosiebestendige supergeleiders zijn - vooral in nano-elektromechanische systemen (NEMS) en micro-elektromechanische systemen (MEMS).

"Deze techniek is nuttig voor alles met veel kleine, bewegende delen die echt dunne coatings nodig hebben, ', zegt Strandwitz.

Dat omvat veel dingen op veel gebieden:ruimtevaart, medicijn, communicatie, vervoer, verdediging, industrie. Vrijwel alles wat beweegt. En als al die spullen makkelijker kunnen bewegen en langer meegaan, energieverbruik en materiaalverspilling neemt af, ten goede komen aan zowel de economie als het milieu.

"Wat geweldig is, is dat we veel materialen in ons lab hebben gemeten en dit is veruit de beste, "zegt Krick. "Het is echt spannend om er dieper in te duiken en te begrijpen waarom het zo goed is, en hoe het kan worden gebruikt om deze verschillende toepassingen daadwerkelijk te beïnvloeden."

Het is geen verrassing dat zo'n diepgaande impact de versmelting van disciplines vereist. En het is mogelijk dat Strandwitz en Krick nooit zo ver zouden zijn gekomen als ze niet zulke goede medewerkers en maatjes waren. Ze waren op een dag aan het rondhangen toen Strandwitz een cool materiaal noemde dat hij aan het onderzoeken was, en vrij snel, Krick testte het in zijn lab.

"Ik denk dat als ieder van ons in een vacuüm zou werken, niemand zou ooit de mechanische eigenschappen van deze films hebben gemeten, " zegt Krick. "Ik zou nooit iets weten over deze depositietechniek. De materialen zijn er, de jongens van Veeco/CNT kunnen allerlei materialen maken, maar zonder het interdisciplinaire aspect, je zou nooit weten waar ze goed voor zijn. Het verlaagt echt de drempel om te ontdekken."