Forscher entdecken neues ultrastarkes Material für Mikrochip-Sensoren

Ein Material, das nicht nur mit der Stärke von Diamanten und Graphen mithalten kann, sondern auch eine 10-mal höhere Zugfestigkeit als Kevlar aufweist

06.11.2023

Forscher der Technischen Universität Delft haben unter der Leitung von Assistenzprofessor Richard Norte ein bemerkenswertes neues Material vorgestellt, das das Potenzial hat, die Welt der Materialwissenschaften zu verändern: amorphes Siliziumkarbid (a-SiC). Neben seiner außergewöhnlichen Festigkeit weist dieses Material auch mechanische Eigenschaften auf, die für die Schwingungsisolierung auf einem Mikrochip entscheidend sind. Amorphes Siliziumkarbid eignet sich daher besonders für die Herstellung hochempfindlicher Mikrochip-Sensoren.

Die Bandbreite der möglichen Anwendungen ist groß. Es reicht von hochempfindlichen Mikrochip-Sensoren und modernen Solarzellen bis hin zu bahnbrechenden Technologien für die Weltraumforschung und die DNA-Sequenzierung. Die Vorteile der Festigkeit dieses Materials in Verbindung mit seiner Skalierbarkeit machen es äußerst vielversprechend.

Zehn Mittelklassewagen

"Um die entscheidende Eigenschaft von "amorph" besser zu verstehen, muss man sich vorstellen, dass die meisten Materialien aus Atomen bestehen, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind, wie ein kompliziert gebauter Legoturm", erklärt Norte. "Diese werden als "kristalline" Materialien bezeichnet, wie zum Beispiel ein Diamant. Bei ihm sind die Kohlenstoffatome perfekt ausgerichtet, was zu seiner berühmten Härte beiträgt." Amorphe Materialien hingegen sind wie ein zufällig gestapeltes Set von Legosteinen, bei denen die Atome nicht gleichmäßig angeordnet sind. Entgegen den Erwartungen führt diese Zufallsanordnung jedoch nicht zu Brüchigkeit. Tatsächlich ist amorphes Siliziumkarbid ein Beweis für die Stärke, die aus dieser Zufälligkeit entsteht.

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Die Zugfestigkeit dieses neuen Materials beträgt 10 GigaPascal (GPa). "Um zu verstehen, was das bedeutet, stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Stück Klebeband zu dehnen, bis es reißt. Wenn man nun die Zugspannung simulieren möchte, die 10 GPa entspricht, müsste man etwa zehn Mittelklassewagen aneinanderhängen, bis das Band bricht", sagt Norte.

Nanostrings

Die Forscher wählten eine innovative Methode, um die Zugfestigkeit dieses Materials zu testen. Anstelle herkömmlicher Methoden, bei denen es aufgrund der Verankerung des Materials zu Ungenauigkeiten kommen kann, griffen sie auf die Mikrochip-Technologie zurück. Indem sie die Filme aus amorphem Siliziumkarbid auf einem Siliziumsubstrat wachsen ließen und sie aufhängten, nutzten sie die Geometrie der Nanoringe, um hohe Zugkräfte zu erzeugen. Durch die Herstellung vieler solcher Strukturen mit zunehmenden Zugkräften beobachteten sie genau die Bruchstelle. Dieser mikrochipbasierte Ansatz gewährleistet nicht nur eine noch nie dagewesene Präzision, sondern ebnet auch den Weg für zukünftige Materialtests.

Warum der Fokus auf Nanoringe? "Nanoringe sind fundamentale Bausteine, die Grundlage für die Konstruktion komplizierterer Schwebestrukturen. Der Nachweis einer hohen Streckgrenze in einem Nanostring bedeutet, dass die Festigkeit in ihrer elementarsten Form gezeigt wird."

Vom Mikro zum Makro

Und was dieses Material schließlich auszeichnet, ist seine Skalierbarkeit. Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, ist für seine beeindruckende Festigkeit bekannt, aber es ist schwierig, es in großen Mengen herzustellen. Diamanten sind zwar enorm stark, aber in der Natur entweder selten oder teuer in der Synthese. Amorphes Siliziumkarbid hingegen kann im Wafer-Maßstab hergestellt werden und bietet große Platten dieses unglaublich robusten Materials.

"Mit dem Aufkommen von amorphem Siliziumkarbid stehen wir an der Schwelle zu einer Mikrochip-Forschung voller technologischer Möglichkeiten", so Norte abschließend.

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Originalveröffentlichung

Minxing Xu, Dongil Shin, Paolo M. Sberna, Roald van der Kolk, Andrea Cupertino, Miguel A. Bessa, Richard A. Norte; "High‐Strength Amorphous Silicon Carbide for Nanomechanics"; Advanced Materials, 2023-10-12

https://www.chemie.de/news/1181955/forscher-entdecken-neues-ultrastarkes-material-fuer-mikrochip-sensoren.html