由助理教授Richard Norte領(lǐng)導(dǎo)的代爾夫特理工大學(xué)的研究人員公布了一種引人注目的新材料，具有影響材料科學(xué)世界的潛力：非晶碳化硅（a-SiC）。除了其卓越的強(qiáng)度，這種材料還具有微芯片隔振的關(guān)鍵機(jī)械性能。因此特別適合制作超靈敏的微芯片傳感器。這項(xiàng)研究發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

潛在的應(yīng)用范圍是巨大的。從超靈敏的微芯片傳感器和先進(jìn)的太陽(yáng)能電池，到先進(jìn)的太空探索和 DNA 測(cè)序技術(shù)。這種材料的強(qiáng)度與其可擴(kuò)展性相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)使其非常有前途。

十輛中型車

“為了更好地理解‘無定形’的關(guān)鍵特征，可以把大多數(shù)材料想象成由規(guī)則排列的原子組成的，就像一個(gè)復(fù)雜的樂高積木塔，”Norte解釋說。“它們被稱為“晶體”材料，例如金剛石。它的碳原子完美地排列在一起，這是它著名的硬度的原因。”

然而，無定形材料類似于一組隨機(jī)堆放的樂高積木，其中原子缺乏一致的排列。但與預(yù)期相反，這種隨機(jī)化并沒有導(dǎo)致脆弱性。事實(shí)上，無定形硅碳化物就是從這種隨機(jī)性中涌現(xiàn)出來的力量的證明。

這種新材料的抗拉強(qiáng)度為10千兆帕斯卡（GPa）。“要理解這意味著什么，想象一下試圖拉伸一段管道膠帶，直到它斷裂。現(xiàn)在，如果你想模擬相當(dāng)于10G Pa的拉伸應(yīng)力，你需要把大約10輛中型汽車首尾相連地掛在那條帶子上，否則它就會(huì)斷裂”諾特說。

納米環(huán)

研究人員采用了一種創(chuàng)新的方法來測(cè)試這種材料的抗拉強(qiáng)度。他們轉(zhuǎn)而使用微芯片技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的方法，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方法可能會(huì)引入材料固定的不準(zhǔn)確性。通過將非晶碳化硅薄膜生長(zhǎng)在硅襯底并將其懸掛起來，他們利用納米線的幾何形狀來產(chǎn)生高的張力。

通過制造許多這樣的具有增加張力的結(jié)構(gòu)，他們仔細(xì)地觀察了斷裂點(diǎn)。這種基于微芯片的方法不僅確保了前所未有的精度，而且為未來的材料測(cè)試鋪平了道路。

從微觀到宏觀

最終使這種材料與眾不同的是它的可擴(kuò)展性。石墨烯是一種單層碳原子，以其令人印象深刻的強(qiáng)度而聞名，但大規(guī)模生產(chǎn)具有挑戰(zhàn)性。金剛石，雖然非常堅(jiān)固，但要么是稀有的，要么是昂貴的合成。另一方面，非晶碳化硅可以在晶圓級(jí)生產(chǎn)，提供這種令人難以置信的堅(jiān)固材料的大板。

“隨著無定形碳化硅的出現(xiàn)，我們正處于芯片研究充滿技術(shù)可能性的門檻上。” Norte 總結(jié)說。

來源：

這項(xiàng)研究發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

潛在的應(yīng)用范圍是巨大的。從超靈敏的微芯片傳感器和先進(jìn)的太陽(yáng)能電池，到先進(jìn)的太空探索和 DNA 測(cè)序技術(shù)。這種材料的強(qiáng)度與其可擴(kuò)展性相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)使其非常有前途。

十輛中型車

“為了更好地理解‘無定形’的關(guān)鍵特征，可以把大多數(shù)材料想象成由規(guī)則排列的原子組成的，就像一個(gè)復(fù)雜的樂高積木塔，”Norte解釋說。“它們被稱為“晶體”材料，例如金剛石。它的碳原子完美地排列在一起，這是它著名的硬度的原因。”

然而，無定形材料類似于一組隨機(jī)堆放的樂高積木，其中原子缺乏一致的排列。但與預(yù)期相反，這種隨機(jī)化并沒有導(dǎo)致脆弱性。事實(shí)上，無定形硅碳化物就是從這種隨機(jī)性中涌現(xiàn)出來的力量的證明。

這種新材料的抗拉強(qiáng)度為10千兆帕斯卡（GPa）。“要理解這意味著什么，想象一下試圖拉伸一段管道膠帶，直到它斷裂。現(xiàn)在，如果你想模擬相當(dāng)于10G Pa的拉伸應(yīng)力，你需要把大約10輛中型汽車首尾相連地掛在那條帶子上，否則它就會(huì)斷裂，”諾特說。

納米環(huán)

研究人員采用了一種創(chuàng)新的方法來測(cè)試這種材料的抗拉強(qiáng)度。他們轉(zhuǎn)而使用微芯片技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的方法，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方法可能會(huì)引入材料固定的不準(zhǔn)確性。通過將非晶碳化硅薄膜生長(zhǎng)在硅襯底并將其懸掛起來，他們利用納米線的幾何形狀來產(chǎn)生高的張力。

通過制造許多這樣的具有增加張力的結(jié)構(gòu)，他們仔細(xì)地觀察了斷裂點(diǎn)。這種基于微芯片的方法不僅確保了前所未有的精度，而且為未來的材料測(cè)試鋪平了道路。

為什么要關(guān)注納米弦“納米弦是基本的建筑模塊，是可以用來建造更復(fù)雜的懸浮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。展示納米線的高屈服強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為展示其最基本形式的強(qiáng)度。”

從微觀到宏觀

最終使這種材料與眾不同的是它的可擴(kuò)展性。石墨烯是一種單層碳原子，以其令人印象深刻的強(qiáng)度而聞名，但大規(guī)模生產(chǎn)具有挑戰(zhàn)性。鉆石，雖然非常堅(jiān)固，但要么是稀有的，要么是昂貴的合成。另一方面，非晶碳化硅可以在晶圓級(jí)生產(chǎn)，提供這種令人難以置信的堅(jiān)固材料的大板。

“隨著無定形碳化硅的出現(xiàn)，我們正處于芯片研究充滿技術(shù)可能性的門檻上。” Norte 總結(jié)說。

審核編輯：劉清