Wissenschaftler haben amorphes Siliziumkarbid entwickelt, ein starkes, skalierbares Material, das in Mikrochip-Sensoren, Solarzellen und der Weltraumforschung eingesetzt werden könnte. Es wird erwartet, dass dieser Durchbruch zu bedeutenden Fortschritten in der Materialwissenschaft und der Mikrochip-Technologie führen wird. Zugfestigkeitstestdiagramm von amorphen Siliziumkarbid-Nanoringen. Die Festigkeit dieses Materials ist nicht nur mit Diamant und Graphen vergleichbar, sondern seine Streckgrenze ist auch zehnmal so hoch wie die von Kevlar, einem Material, das für seine Verwendung in kugelsicheren Westen bekannt ist.

Seit Jahrzehnten werden Dünnschichtmaterialien zur Realisierung hochempfindlicher mechanischer Resonatoren unter hohen Zugbelastungen eingesetzt. Obwohl große Fortschritte bei der Realisierung mechanischer Sensoren mit geringer Verlustleistung und hoher Zugspannung erzielt wurden, wird die Leistung selbst der besten Strategien durch die Zugbruchfestigkeit des Resonatormaterials begrenzt.

Forscher der TU Delft unter der Leitung von Assistenzprofessor Richard Norte haben ein außergewöhnliches neues Material vorgestellt, das die Welt der Materialwissenschaften beeinflussen könnte: amorphes Siliziumkarbid (a-SiC).

Dieses Material ist nicht nur extrem stark, es verfügt auch über mechanische Eigenschaften, die für die Vibrationsisolierung von Mikrochips von entscheidender Bedeutung sind. Amorphes Siliziumkarbid eignet sich daher besonders für die Herstellung hochempfindlicher Mikrochip-Sensoren.

Das Spektrum möglicher Anwendungen ist sehr breit. Von hochempfindlichen Mikrochip-Sensoren und fortschrittlichen Solarzellen bis hin zu bahnbrechender Weltraumforschung und DNA-Sequenzierungstechnologie. Die Festigkeitsvorteile des Materials in Kombination mit seiner Skalierbarkeit machen es unglaublich vielversprechend.

„Um diese Schlüsseleigenschaft der Amorphität besser zu verstehen, stellen Sie sich vor, dass die meisten Materialien aus Atomen bestehen, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind, wie ein komplizierter Legoturm“, erklärt Knott. „Diese Materialien nennt man ‚kristalline‘ Materialien, wie zum Beispiel Diamant. Seine Kohlenstoffatome sind vollständig. Amorphe Materialien sind jedoch wie zufällig gestapelte Legosteine, aber wider Erwarten führt diese Zufälligkeit nicht zu Zerbrechlichkeit. Tatsächlich zeigt amorphes Siliziumkarbid die Stärke, die diese Zufälligkeit erzeugt.“

Das neue Material hat eine Zugfestigkeit von 10 Gigapascal (GPa). „Um zu verstehen, was das bedeutet, stellen Sie sich vor, Sie würden versuchen, ein Stück Klebeband zu dehnen, bis es reißt“, sagte Knott. „Wenn man nun das Äquivalent einer Zugspannung von 10 GPa simulieren wollte, müsste man etwa 10 mittelgroße Autos aneinanderreihen, bevor das Band reißt.“

Nanospring

Mit einer innovativen Methode testeten die Forscher die Zugfestigkeit des Materials. Während herkömmliche Methoden aufgrund der Art und Weise, wie das Material an Ort und Stelle gehalten wird, Fehler verursachen können, verwendeten sie Mikrochip-Technologie. Indem sie einen dünnen Film aus amorphem Siliziumkarbid auf einem Siliziumsubstrat züchteten und aufhängten, nutzten sie die Geometrie der Nanoringe, um hohe Zugkräfte zu induzieren. Indem sie viele dieser Strukturen herstellten und die Zugkraft erhöhten, beobachteten sie sorgfältig die Bruchstelle. Dieser mikrochipbasierte Ansatz gewährleistet nicht nur eine beispiellose Präzision, sondern ebnet auch den Weg für zukünftige Materialtests.

Warum müssen wir uns um Nanoringe kümmern? Nanoringe sind die grundlegendsten Bausteine ​​und die Grundlage für den Aufbau komplexerer schwebender Strukturen. Der Nachweis einer hohen Streckgrenze in Nanoringen bedeutet Festigkeit in ihrer grundlegendsten Form.

Von Mikro zu Makro

Das Besondere an diesem Material ist seine Skalierbarkeit. Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen und ist für seine erstaunliche Festigkeit bekannt, lässt sich jedoch nur schwer in großen Mengen herstellen. Obwohl Diamanten unglaublich stark sind, kommen sie in der Natur selten vor und ihre Synthese ist teuer. Amorphes Siliziumkarbid hingegen kann im Wafer-Maßstab hergestellt werden und stellt dieses unglaublich starke Massenmaterial bereit.

„Mit dem Aufkommen von amorphem Siliziumkarbid stehen wir an der Schwelle zur Mikrochip-Forschung voller technologischer Möglichkeiten“, schlussfolgerte Knott.

Dieses starke Dünnschichtmaterial bietet großes Potenzial für Anwendungen in nanomechanischen Sensoren, Solarzellen, biologischen Anwendungen, der Weltraumforschung und anderen Bereichen, in denen Festigkeit und Stabilität in dynamischen Umgebungen erforderlich sind. Die Erkenntnisse dieser Studie eröffnen neue Möglichkeiten für den Einsatz amorpher Dünnschichtmaterialien in Hochleistungsanwendungen.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily