Galliumnitride (GaN) is uitgegroeid tot een van de belangrijkste en meest gebruikte halfgeleidende materialen. Zijn opto-elektronische en mechanische eigenschappen maken het ideaal voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief light-emitting diodes (LED's), transistoren op hoge temperatuur, sensoren en biocompatibele elektronische implantaten bij mensen.

In 2014, drie Japanse wetenschappers hebben de Nobelprijs voor natuurkunde gewonnen voor het ontdekken van de cruciale rol van GaN bij het genereren van blauw LED-licht, die vereist is, in combinatie met rood en groen licht, om witte LED-lichtbronnen te produceren.

Nutsvoorzieningen, vier Lehigh-ingenieurs hebben een voorheen onbekende eigenschap voor GaN gemeld:de slijtvastheid benadert die van diamanten en belooft toepassingen in aanraakschermen te openen, ruimtevoertuigen en radiofrequente micro-elektromechanische systemen (RF MEMS), die allemaal hoge snelheid vereisen, technologie met hoge trillingen.

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in augustus in Technische Natuurkunde Brieven ( APL ) in een artikel getiteld "Ultralow wear of galliumnitride." De auteurs van het artikel zijn Guosong Zeng, een doctoraat kandidaat in de werktuigbouwkunde; Nelson Tansu, Daniel E. '39 en Patricia M. Smith bijzonder hoogleraar in de afdeling Electrical and Computer Engineering, en directeur van het Centrum voor Fotonica en Nano-elektronica (CPN); Brandon A. Krick, universitair docent werktuigbouwkunde en mechanica; en Chee-Keong Tan '16 Ph.D., nu assistent-professor elektrische en computertechniek aan de Clarkson University.

De elektronische en optische eigenschappen van GaN zijn al tientallen jaren uitgebreid bestudeerd, zei Zeng, de hoofdauteur van het APL-artikel, maar er is vrijwel geen onderzoek gedaan naar de tribologische eigenschappen ervan, dat is, zijn weerstand tegen de mechanische slijtage die wordt veroorzaakt door heen en weer schuiven.

"Onze groep is de eerste die de slijtageprestaties van GaN heeft onderzocht, " zei Zeng. "We hebben ontdekt dat de slijtagesnelheid die van diamanten benadert, het hardste materiaal dat bekend is."

Slijtage wordt uitgedrukt in negatieve kubieke millimeter Newtonmeter (Nm). Het tarief voor krijt, die vrijwel geen slijtvastheid heeft, is in de orde van 10 2 mm3/Nm, terwijl die van diamanten tussen 10-9 en 10-10 ligt, diamanten acht orden van grootte slijtvaster maken dan krijt. De snelheid voor GaN varieert van 10-7 tot 10-9, die de slijtvastheid van diamanten benadert en drie tot vijf orden van grootte slijtvaster is dan silicium (10-4).

De Lehigh-onderzoekers maten de slijtagesnelheid en wrijvingscoëfficiënten van GaN met behulp van een aangepaste microtribometer om experimenten met droge glijdende slijtage uit te voeren. Ze waren verrast door de resultaten.

"Bij het uitvoeren van slijtagemetingen van onbekende materialen, " schreven ze in APL, "We glijden meestal voor 1, 000 cycli, meet vervolgens de slijtagelittekens; [deze] experimenten moesten worden verhoogd tot 30, 000 heen en weer gaande cycli om meetbaar te zijn met onze optische profilometer.

"Het grote bereik in slijtagesnelheden (ongeveer twee ordes van grootte) ... kan inzicht geven in de slijtagemechanismen van GaN."

Dat bereik in slijtvastheid, zeiden de onderzoekers, wordt veroorzaakt door verschillende factoren, inclusief omgeving, kristallografische richting en, vooral, vochtigheid.

"De eerste keer dat we de ultralage slijtage van GaN zagen, was in de winter, " zei Zeng. "Deze resultaten konden in de zomer niet worden gerepliceerd, toen de slijtagesnelheid van het materiaal met twee ordes van grootte toenam."

Om te bepalen hoe de hogere luchtvochtigheid in de zomer de slijtageprestaties van GaN beïnvloedde, de onderzoekers zetten hun tribometer in een handschoenenkastje dat kan worden opgevuld met stikstof of vochtige lucht.

"We merkten dat toen we de luchtvochtigheid in het handschoenenkastje verhoogden, we hebben ook de slijtagesnelheid van GaN verhoogd, ' zei Zeng.

Zeng gaf in oktober een presentatie over het Lehigh-project tijdens de International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2016) in Orlando, Florida. De sessie waarop hij sprak was getiteld "Slijtage van nitridematerialen en eigenschappen van op GaN gebaseerde structuren." Zeng was een van de zeven presentatoren tijdens de sessie en de enige die de slijtage-eigenschappen van GaN en andere III-nitride-materialen besprak.

Tansu, die meer dan tien jaar GaN heeft bestudeerd, en Krick, een tribologie-expert, werden enkele jaren geleden nieuwsgierig naar de slijtageprestaties van GaN toen ze hun onderzoeksprojecten bespraken na een faculteitsvergadering van Lehigh.

"Nelson vroeg me of iemand ooit de wrijvings- en slijtage-eigenschappen van galliumnitride had onderzocht, " zei Krik, 'en ik zei dat ik het niet wist. We hebben later gekeken en een wijd open veld gevonden.'

Tansu zei dat de ontdekking door de groep van de hardheid en slijtageprestaties van GaN een dramatisch effect zou kunnen hebben op de elektronische en digitale apparatenindustrie. In een apparaat zoals een smartphone, hij zei, de elektronische componenten zijn ondergebracht onder een beschermende coating van glas of saffier. Dit levert potentiële compatibiliteitsproblemen op die kunnen worden vermeden door GaN te gebruiken.

"De slijtvastheid van GaN, " zei Tansu, "biedt ons de mogelijkheid om de meerdere lagen in een typisch halfgeleiderapparaat te vervangen door één laag gemaakt van een materiaal dat uitstekende optische en elektrische eigenschappen heeft en ook slijtvast is.

"Met behulp van GaN, je kunt een heel apparaat in een platform bouwen zonder meerdere lagen technologieën. Je kunt elektronica integreren, lichtsensoren en lichtzenders en hebben nog steeds een mechanisch robuust apparaat. Dit zal een nieuw paradigma openen voor het ontwerpen van apparaten. En omdat GaN heel dun en toch sterk gemaakt kan worden, het zal de overstap naar flexibele elektronica versnellen."

Naast de onverwacht goede slijtageprestaties, zei Zeng, GaN heeft ook een gunstige stralingshardheid, wat een belangrijke eigenschap is voor de zonnecellen die ruimtevoertuigen aandrijven. In de ruimte, deze zonnecellen ontmoeten grote hoeveelheden zeer fijn kosmisch stof, samen met röntgenstralen en gammastralen, en dus een slijtvaste coating nodig hebben, die op zijn beurt compatibel moet zijn met het elektronische circuit van de cel. GaN biedt de nodige hardheid zonder compatibiliteitsproblemen met het circuit te veroorzaken.

De Lehigh-groep is begonnen samen te werken met Bruce E. Koel, een expert op het gebied van oppervlaktechemie en professor in chemische en biologische engineering aan de Princeton University, om een ​​beter begrip te krijgen van de interactie van GaN en water onder contact. Koel was vroeger een scheikundeprofessor en vice-president voor onderzoek en graduate studies bij Lehigh.

Om de evolutie van slijtage met GaN te bepalen, de groep heeft GaN aan spanningen onderworpen door glijtesten uit te voeren waarbij de glijafstand en het bijbehorende aantal cycli worden gevarieerd. De groep gebruikt vervolgens een röntgenfoto-elektronenspectrometer (XPS), die de elementaire samenstelling van de eerste 12 nanometer van een oppervlak kan identificeren, om het ongedragen oppervlak van de GaN te scannen, het litteken gecreëerd door de glijmachine, en de slijtagedeeltjes die door de glijmachine aan weerszijden van het litteken worden afgezet.

De groep is van plan om naast aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie het rooster van atomen onder het litteken te onderzoeken. In de tussentijd, ze zullen een test simuleren waarbij het rooster wordt gespannen met water om de variaties te observeren die worden veroorzaakt door vervormingsenergie.

"Dit is een heel nieuw experiment, " zei Zeng. "Het stelt ons in staat om dynamische oppervlaktechemie te zien door te kijken naar de chemische reactie die ontstaat wanneer je schuifkracht toepast, trek- of drukdruk op het oppervlak van GaN."