Il nitruro di gallio (GaN) è emerso come uno dei materiali semiconduttori più importanti e ampiamente utilizzati. Le sue proprietà optoelettroniche e meccaniche lo rendono ideale per una varietà di applicazioni, compresi diodi emettitori di luce (LED), transistor ad alta temperatura, sensori e impianti elettronici biocompatibili nell'uomo.

Nel 2014, tre scienziati giapponesi hanno vinto il Premio Nobel per la fisica per aver scoperto il ruolo fondamentale del GaN nella generazione di luce LED blu, che è richiesto, in combinazione con luce rossa e verde, per produrre sorgenti luminose a LED bianchi.

Ora, quattro ingegneri Lehigh hanno segnalato una proprietà precedentemente sconosciuta per GaN:la sua resistenza all'usura si avvicina a quella dei diamanti e promette di aprire applicazioni nei touch screen, veicoli spaziali e sistemi microelettromeccanici a radiofrequenza (RF MEMS), tutto ciò richiede alta velocità, tecnologia ad alta vibrazione.

I ricercatori hanno riportato i loro risultati ad agosto in Lettere di fisica applicata ( APL ) in un articolo intitolato "Usura ultrabassa del nitruro di gallio". Gli autori dell'articolo sono Guosong Zeng, un dottorato di ricerca candidato in ingegneria meccanica; Nelson Tansu, Daniel E. '39 e Patricia M. Smith Professore ordinario presso il dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, e Direttore del Centro di Fotonica e Nanoelettronica (CPN); Brandon A. Krick, assistente professore di ingegneria meccanica e meccanica; e Chee-Keong Tan '16 Ph.D., ora assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla Clarkson University.

Le proprietà elettroniche e ottiche del GaN sono state ampiamente studiate per diversi decenni, disse Zeng, l'autore principale dell'articolo APL, ma praticamente non sono stati fatti studi sulle sue proprietà tribologiche, questo è, la sua resistenza all'usura meccanica imposta dallo scorrimento alternato.

"Il nostro gruppo è il primo a studiare le prestazioni di usura del GaN, " ha detto Zeng. "Abbiamo scoperto che il suo tasso di usura si avvicina a quello dei diamanti, il materiale più duro conosciuto."

Il tasso di usura è espresso in millimetri cubi negativi di Newton metri (Nm). La tariffa per il gesso, che non ha praticamente alcuna resistenza all'usura, è dell'ordine di 10 2 mm3/Nm, mentre quello dei diamanti è compreso tra 10-9 e 10-10, rendendo i diamanti otto ordini di grandezza più resistenti all'usura del gesso. Il tasso per GaN varia da 10¬-7 a 10-9, avvicinandosi alla resistenza all'usura dei diamanti e da tre a cinque ordini di grandezza più resistente all'usura del silicio (10-4).

I ricercatori di Lehigh hanno misurato il tasso di usura e i coefficienti di attrito del GaN utilizzando un microtribometro personalizzato per eseguire esperimenti di usura per scorrimento a secco. Sono rimasti sorpresi dai risultati.

"Quando si eseguono misurazioni dell'usura di materiali sconosciuti, " hanno scritto in APL, "di solito facciamo scorrere per 1, 000 cicli, quindi misurare le cicatrici da usura; [questi] esperimenti dovevano essere aumentati a 30, 000 cicli alternativi misurabili con il nostro profilometro ottico.

"L'ampia gamma di tassi di usura (circa due ordini di grandezza) ... può fornire informazioni sui meccanismi di usura del GaN".

Quella gamma di resistenza all'usura, i ricercatori hanno detto, è causato da diversi fattori, compreso l'ambiente, direzione cristallografica e, specialmente, umidità.

"La prima volta che abbiamo osservato il tasso di usura estremamente basso del GaN è stato in inverno, " ha detto Zeng. "Questi risultati non potrebbero essere replicati in estate, quando il tasso di usura del materiale è aumentato di due ordini di grandezza."

Per determinare in che modo la maggiore umidità estiva stava influenzando le prestazioni di usura del GaN, i ricercatori hanno messo il loro tribometro in un vano portaoggetti che può essere riempito di nuovo con azoto o aria umida.

"Abbiamo osservato che aumentando l'umidità all'interno del vano portaoggetti, abbiamo anche aumentato il tasso di usura del GaN, " disse Zeng.

Zeng ha tenuto una presentazione sul progetto Lehigh in ottobre all'International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2016) a Orlando, Florida. La sessione alla quale ha parlato era intitolata "Usura dei materiali nitruri e proprietà delle strutture a base di GaN". Zeng è stato uno dei sette relatori alla sessione e l'unico a discutere le proprietà di usura del GaN e di altri materiali a nitruro III.

Tansù, che ha studiato GaN per più di un decennio, e Krick, un esperto di tribologia, si sono incuriositi sulle prestazioni di usura di GaN diversi anni fa, quando hanno discusso dei loro progetti di ricerca dopo una riunione della facoltà di Lehigh.

"Nelson mi ha chiesto se qualcuno avesse mai studiato le proprietà di attrito e usura del nitruro di gallio, " disse Krick, "e ho detto che non lo sapevo. Abbiamo controllato più tardi e abbiamo trovato un campo aperto."

Tansu ha affermato che la scoperta da parte del gruppo della durezza e delle prestazioni di usura del GaN potrebbe avere un effetto drammatico sull'industria dei dispositivi elettronici e digitali. In un dispositivo come uno smartphone, Egli ha detto, i componenti elettronici sono alloggiati sotto un rivestimento protettivo di vetro o zaffiro. Ciò pone potenziali problemi di compatibilità che potrebbero essere evitati utilizzando GaN.

"La resistenza all'usura del GaN, " disse Tansu, "ci dà l'opportunità di sostituire i molteplici strati in un tipico dispositivo a semiconduttore con uno strato realizzato in un materiale che ha eccellenti proprietà ottiche ed elettriche ed è anche resistente all'usura.

"Utilizzando GaN, puoi costruire un intero dispositivo in una piattaforma senza più livelli di tecnologie. Puoi integrare l'elettronica, sensori di luce ed emettitori di luce e hanno ancora un dispositivo meccanicamente robusto. Questo aprirà un nuovo paradigma per la progettazione di dispositivi. E poiché il GaN può essere reso molto sottile e ancora forte, accelererà il passaggio all'elettronica flessibile."

Oltre alle sue prestazioni di usura inaspettatamente buone, disse Zeng, Il GaN ha anche una durezza di radiazione favorevole, che è una proprietà importante per le celle solari che alimentano i veicoli spaziali. Nello spazio esterno, queste celle solari incontrano grandi quantità di polvere cosmica molto fine, insieme a raggi X e raggi gamma, e quindi richiedono un rivestimento resistente all'usura, che a sua volta deve essere compatibile con i circuiti elettronici della cella. GaN fornisce la durezza necessaria senza introdurre problemi di compatibilità con i circuiti.

Il gruppo Lehigh ha iniziato a collaborare con Bruce E. Koel, un esperto di chimica delle superfici e professore di ingegneria chimica e biologica alla Princeton University, per ottenere una migliore comprensione dell'interazione di GaN e acqua a contatto. Koel era precedentemente un professore di chimica e vicepresidente per la ricerca e gli studi universitari alla Lehigh.

Per determinare l'evoluzione dell'usura con GaN, il gruppo ha sottoposto GaN a sollecitazioni eseguendo prove di scorrimento in cui vengono variate la distanza di scorrimento e il corrispondente numero di cicli. Il gruppo utilizza quindi uno spettrometro fotoelettronico a raggi X (XPS), che può identificare la composizione elementare dei primi 12 nanometri di una superficie, per scansionare la superficie non usurata del GaN, la cicatrice creata dalla macchina per diapositive, e le particelle di usura depositate dalla macchina per diapositive su entrambi i lati della cicatrice.

Il gruppo prevede di utilizzare la microscopia elettronica a trasmissione con correzione dell'aberrazione per esaminare il reticolo di atomi sotto la cicatrice. Nel frattempo, simuleranno una prova in cui il reticolo viene teso con acqua per osservare le variazioni causate dall'energia deformante.

"Questo è un esperimento molto nuovo, " ha detto Zeng. "Ci consentirà di vedere la chimica della superficie dinamica osservando la reazione chimica che si verifica quando si applica il taglio, pressione di trazione o compressione sulla superficie del GaN."