Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft, onder leiding van universitair docent Richard Norte, hebben een opmerkelijk nieuw materiaal onthuld met potentie om de wereld van de materiaalkunde te beïnvloeden:amorf siliciumcarbide (a-SiC). Naast zijn uitzonderlijke sterkte vertoont dit materiaal mechanische eigenschappen die cruciaal zijn voor trillingsisolatie op een microchip. Amorf siliciumcarbide is daarom bijzonder geschikt voor het maken van ultragevoelige microchipsensoren.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

Het scala aan mogelijke toepassingen is enorm. Van ultragevoelige microchipsensoren en geavanceerde zonnecellen tot baanbrekende technologieën voor ruimteverkenning en DNA-sequencing. De voordelen van de kracht van dit materiaal in combinatie met de schaalbaarheid maken het uitzonderlijk veelbelovend.

Tien middelgrote auto's

"Om het cruciale kenmerk van 'amorf' beter te begrijpen, moet je denken dat de meeste materialen bestaan ​​uit atomen die in een regelmatig patroon zijn gerangschikt, zoals een ingewikkeld gebouwde Lego-toren", legt Norte uit. "Deze worden 'kristallijne' materialen genoemd, zoals bijvoorbeeld diamant. De koolstofatomen zijn perfect uitgelijnd, wat bijdraagt ​​aan de beroemde hardheid."

Amorfe materialen lijken echter op een willekeurig gestapelde set Lego, waarbij atomen een consistente rangschikking missen. Maar tegen de verwachtingen in leidt deze randomisatie niet tot fragiliteit. In feite getuigt amorf siliciumcarbide van de kracht die voortkomt uit een dergelijke willekeur.

De treksterkte van dit nieuwe materiaal bedraagt ​​10 GigaPascal (GPa). "Om te begrijpen wat dit betekent, stel je voor dat je probeert een stuk ducttape uit te rekken totdat het breekt. Als je nu de trekspanning van 10 GPa wilt simuleren, zou je ongeveer tien middelgrote auto's moeten ophangen. om die strook af te maken voordat deze breekt", zegt Norte.

Nanosnaren

De onderzoekers gebruikten een innovatieve methode om de treksterkte van dit materiaal te testen. In plaats van traditionele methoden die onnauwkeurigheden zouden kunnen introduceren in de manier waarop het materiaal is verankerd, wendden ze zich tot microchiptechnologie. Door de films van amorf siliciumcarbide op een siliciumsubstraat te laten groeien en ze op te hangen, maakten ze gebruik van de geometrie van de nanostrings om hoge trekkrachten te induceren.

Door veel van dergelijke constructies met toenemende trekkrachten te vervaardigen, observeerden ze nauwgezet het punt van breuk. Deze op microchips gebaseerde aanpak zorgt niet alleen voor ongekende precisie, maar maakt ook de weg vrij voor toekomstige materiaaltests.

Waarom de focus op nanostrings? "Nanostrings zijn fundamentele bouwstenen, de basis die kan worden gebruikt om meer ingewikkelde hangende structuren te construeren. Het aantonen van een hoge vloeigrens in een nanostring vertaalt zich in het tonen van kracht in zijn meest elementaire vorm."

Van micro tot macro

En wat dit materiaal uiteindelijk onderscheidt, is de schaalbaarheid ervan. Grafeen, een enkele laag koolstofatomen, staat bekend om zijn indrukwekkende sterkte, maar is een uitdaging om in grote hoeveelheden te produceren. Hoewel diamanten enorm sterk zijn, zijn ze zeldzaam van aard of kostbaar om te synthetiseren. Amorf siliciumcarbide daarentegen kan op wafelschaal worden geproduceerd, waardoor grote platen van dit ongelooflijk robuuste materiaal kunnen worden geproduceerd.

"Met de opkomst van amorf siliciumcarbide staan ​​we op de drempel van microchiponderzoek boordevol technologische mogelijkheden", besluit Norte.

Meer informatie: Minxing Xu et al., Amorf siliciumcarbide met hoge sterkte voor nanomechanica, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202306513

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door de Technische Universiteit Delft