TU Delft onderzoekers ontdekken nieuw ultrasterk materiaal voor microchipsensoren
Een materiaal dat niet alleen kan tippen aan de sterkte van diamanten en grafeen, maar ook een rekgrens heeft die 10 keer groter is dan die van Kevlar, bekend van het gebruik in kogelvrije vesten.
Onderzoekers van de TU Delft, onder leiding van universitair docent Richard Norte, hebben een opmerkelijk nieuw materiaal ontdekt dat van grote invloed kan zijn binnen de materiaalkunde: amorf siliciumcarbide (a-SiC). Naast uitzonderlijke sterkte vertoont dit materiaal mechanische eigenschappen die cruciaal zijn voor trillingsisolatie op een microchip. Amorf siliciumcarbide is dan ook uitermate geschikt om ultragevoelige microchipsensoren mee te maken.
Het scala aan potentiële toepassingen is enorm. Van ultragevoelige microchipsensoren en geavanceerde zonnecellen tot baanbrekende technologieën voor ruimteonderzoek en DNA-bepalingen. De voordelen van de sterkte van dit materiaal in combinatie met de schaalbaarheid maken het veelbelovend.
Tien middelgrote auto's
"Om de cruciale eigenschap 'amorf' beter te begrijpen, moet je bedenken dat de meeste materialen bestaan uit atomen gerangschikt in een regelmatig patroon, zoals een goed gebouwde Lego-toren", legt Norte uit. "Dit worden 'kristallijne' materialen genoemd, zoals bijvoorbeeld diamant. Daarin zijn de koolstofatomen perfect uitgelijnd, wat bijdraagt aan de befaamde hardheid."
R.A. (Richard) Norte
Amorfe materialen lijken daarentegen op een willekeurig gestapelde set Lego's, waar de atomen niet consistent gerangschikt zijn. In tegenstelling tot wat je zou verwachten, leidt deze willekeurigheid niet tot breekbaarheid maar juist tot een enorm krachtig materiaal. De treksterkte van amorf siliciumcarbide is 10 GigaPascal (GPa). "Om te begrijpen wat dit betekent, moet je je voorstellen dat je een stuk ducttape probeert uit te rekken tot het breekt. Als je nu de trekspanning wilt simuleren die overeenkomt met 10 GPa, dan moet je ongeveer tien middelgrote auto's tegen elkaar aan die strip hangen voordat hij breekt", zegt Norte.
Nanostrengen
De onderzoekers gebruikten een innovatieve methode om de treksterkte van dit materiaal te testen. In plaats van traditionele methoden die mogelijk tot onregelmatigheden leiden in het materiaal door de verankering, maakten ze gebruik van microchiptechnologie. Door de lagen amorf siliciumcarbide op een siliciumsubstraat te kweken en op te hangen, maakten ze gebruik van de geometrie van de nanostrengen om hoge trekkrachten op te wekken. Door veel van dergelijke structuren te maken met toenemende trekkrachten, observeerden ze nauwkeurig het breekpunt. Deze aanpak zorgt niet alleen voor een ongekende precisie, maar maakt ook de weg vrij voor toekomstige materiaalexperimenten.
Maar waarom ligt de focus op nanostrengen? "Nanostrengen zijn fundamentele bouwstenen, de basis waarmee meer ingewikkelde hangende structuren geconstrueerd worden. Een hoge rekgrens in een nanostreng vertaalt zich naar materiaalsterkte in zijn meest elementaire vorm."
Van micro tot macro
Wat dit materiaal uiteindelijk onderscheidt, is de schaalbaarheid. Grafeen, een enkele laag koolstofatomen, staat bekend om zijn indrukwekkende sterkte maar is moeilijk in grote hoeveelheden te produceren. Diamant, hoewel immens sterk, is zeldzaam in de natuur of kostbaar om te maken. Amorf siliciumcarbide daarentegen kan op wafer-schaal worden geproduceerd waardoor grote vellen van dit enorm robuuste materiaal beschikbaar zijn.
"Met de opkomst van amorf siliciumcarbide staan we aan de vooravond van een microchip-tijdperk dat bol staat van de technologische mogelijkheden," concludeert Norte.
Lees meer over dit onderzoek in Advanced Materials.
Met de opkomst van amorf siliciumcarbide staan we aan de vooravond van een microchip-tijdperk dat bol staat van de technologische mogelijkheden
Richard Norte