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GaN耐磨性能接近钻石或开辟应用新市场

时间:2021-07-11 18:13 点击次数:
  本文摘要:目前,氮化镓(GaN)已沦为最重要、最广泛应用的半导体材料之一。其光电性能和机械性能使其沦为多种应用于的理想自由选择,还包括发光二极管、高温晶体管、传感器以及与人体生物兼容的电子植入物。 三名日本科学家由于找到GaN在产生蓝光LED灯中的最重要起到而取得了2014年的诺贝尔物理学奖。 融合红光和绿光产生白光LED光源,蓝光是必不可少的。

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目前,氮化镓(GaN)已沦为最重要、最广泛应用的半导体材料之一。其光电性能和机械性能使其沦为多种应用于的理想自由选择,还包括发光二极管、高温晶体管、传感器以及与人体生物兼容的电子植入物。  三名日本科学家由于找到GaN在产生蓝光LED灯中的最重要起到而取得了2014年的诺贝尔物理学奖。

融合红光和绿光产生白光LED光源,蓝光是必不可少的。  最近,四名理海大学的工程师报导了一个GaN前所不得而知的属性:其耐磨性相似钻石,而且为触摸屏、空间飞行器和射频微机电系统(RFMEMS)这些必须高速、低振动技术的应用于修筑了新的市场。  八月份,该研究团队将他们的找到公开发表在了AppliedPhysicsLetters(APL)上,题目为Ultralowwearofgalliumnitride。

文章的作者是机械工程博士生曾国松,NelsonTansu,DanielE.39,光子学与电子学的中心主任(CPN)、电气与计算机工程系的客座教授PatriciaM.Smith,机械工程与力学系由助理教授BrandonA.Krick,以及克拉克森大学电子与计算机工程系的助理教授Chee-KeongTan16博士。  该文章的第一作者Zeng回应:GaN的电子和光学性质将近几十年来已被普遍研究,但实质上在其摩擦学性能,即其所产生的来回滑动的机械耐磨性方面完全没研究。我们小组是第一次研究GaN的耐磨性能,并找到其磨损率相似未知的最硬的材料钻石。

  磨损率回应为mm3/Nm。实质上粉笔的磨损率约102mm3/Nm,完全没耐磨性,而钻石的磨损率在10-9与10-10之间,比粉笔的磨损率高达八个数量级。GaN的磨损率在10-7-10-9之间,比钻石高三到五个数量级,比硅(10-4)的耐磨性更高。

  理海大学的研究人员用于自定义的微型摩擦针展开腊滑动磨损试验,测量了GaN的摩擦系数和磨损率,而结果使他们深感吃惊。他们在论文中写到,当对不得而知材料展开磨损测量时,我们一般来说滑动1000个周期,然后测量磨痕。

为了超过能被光学表面光度仪测量,实验早已被提升到30,000个周期。在磨损率(大约两个数量级)的大范围内,可以了解理解GaN的磨损机制。而磨损率的范围,是由几个因素影响的,还包括环境因素和晶体方向,特别是在是湿度的影响。

  我们第一次仔细观察到GaN的超低磨损率是在冬天,而在夏天,材料的磨损率减少了两个数量级,结果无法反复。Zeng说道。为了研究夏季的高湿度是如何影响GaN的磨损性能的,研究人员把他们的摩擦计放到一个可以用氮气或干燥空气开挖的手套箱中。

我们仔细观察到,当我们减少手套箱内的湿度,GaN的磨损率也随之减少。Zeng说道。  十月份,在佛罗里达州的奥兰多氮化物半导体国际研讨会上,Zeng做到了一个关于理海项目的演说(IWN2016),题目为WearofNitrideMaterialsandPropertiesofGaN-basedstructures。

Zeng是会上七个陈述者之一而且是唯一一个辩论GaN等第III族氮化物材料的磨损性能的。  研究GaN十多年的Tansu和摩擦学专家Krick,当他们几年前在理海教师会议辩论他们的研究项目时就早已对GaN的磨损性能充满著了奇怪。Nelson曾多次回答我否早已有人研究了GaN的摩擦和磨损性能,Krick说道,我说道我不告诉。

后来我们调查了一下并找到了一个辽阔的领域。  Tansu说道:我们研究小组找到GaN的硬度和耐磨性能都会对电子和数码产品行业产生极大的影响。在一个设备如智能手机,电子元件被移往在玻璃或蓝宝石的维护涂层下,这就明确提出了兼容性的问题,而用于GaN可以防止潜在的兼容性问题。

GaN的耐磨性给我们获取了一种方法,运用具备优良的光学、电学性能和耐磨性的单层材料可以替代一个典型的多层半导体器件。用于GaN,您可以在没多层技术的平台上创建一个原始的设备,以及可以构建电子、光传感器和光发射器,这将为设计设备获取一个新的范例。又因为GaN可以做到得外壳且高强度,这也将加快柔性电子产品的研发。

  GaN除了令人车祸的较好耐磨性能外,也有较好的耐热辐射性,这是太阳能电池驱动空间飞行器的一个最重要属性。独自太空中,这些太阳能电池将遇上大量的连同X射线和射线的宇宙尘埃,因此必须一个耐用涂层,同时又必须与电池的电子电路相容。

在不考虑到与电路的兼容性问题情况下,GaN可以获取适当的硬度。Zeng说道。  为了更佳的解读GaN和水认识时的相互作用,理海团队已开始与普林斯顿大学化学与生物工程教授,表面化学专家BruceE.Koel合作。Koel原是理海大学毕业,并且是化学教授兼任副校长。

  为了确认GaN的磨损演进,该研究团队通过转变滑动测试时的滑动距离和适当的周期数来给GaN施加压力。摩擦机在样品表面产生划痕,而磨损颗粒在划痕两侧沉积。然后利用X射线光电子能谱(XPS)扫瞄并未磨损的GaN表面,辨识该表面的元素构成。  该小组计划下一步用于像劣校正入射电子显微镜检查划痕下的原子晶格。

同时,他们将仿真晶格突发事件与水的测试,借以仔细观察变形能量所导致的晶格变化。  Zeng说道:这是一个十分精致的实验,当你产生剪切力、剪切力或压缩力到GaN的表面上时,通过看化学反应,我们就需要看见动态的表面化学结果。


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