El nitruro de galio (GaN) se ha convertido en uno de los materiales semiconductores más importantes y más utilizados. Sus propiedades optoelectrónicas y mecánicas lo hacen ideal para una variedad de aplicaciones, incluidos los diodos emisores de luz (LED), transistores de alta temperatura, sensores e implantes electrónicos biocompatibles en humanos.

En 2014, tres científicos japoneses ganaron el Premio Nobel de Física por descubrir el papel fundamental de GaN en la generación de luz LED azul, que se requiere, en combinación con luz roja y verde, para producir fuentes de luz LED blancas.

Ahora, Cuatro ingenieros de Lehigh han informado de una propiedad previamente desconocida para GaN:su resistencia al desgaste se acerca a la de los diamantes y promete abrir aplicaciones en pantallas táctiles. vehículos espaciales y sistemas microelectromecánicos de radiofrecuencia (RF MEMS), todos los cuales requieren alta velocidad, tecnología de alta vibración.

Los investigadores informaron sus hallazgos en agosto en Letras de física aplicada ( APL ) en un artículo titulado "Desgaste ultrabajo del nitruro de galio". Los autores del artículo son Guosong Zeng, un doctorado candidato en ingeniería mecánica; Nelson Tansu, Daniel E. '39 y Patricia M. Smith, profesora titular en el departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, y Director del Centro de Fotónica y Nanoelectrónica (CPN); Brandon A. Krick, profesor asistente de ingeniería mecánica y mecánica; y Chee-Keong Tan '16 Ph.D., ahora es profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Clarkson.

Las propiedades ópticas y electrónicas de GaN se han estudiado extensamente durante varias décadas, dijo Zeng, el autor principal del artículo de APL, pero prácticamente no se han realizado estudios de sus propiedades tribológicas, es decir, su resistencia al desgaste mecánico impuesto por el deslizamiento alternativo.

"Nuestro grupo es el primero en investigar el comportamiento de desgaste de GaN, ", dijo Zeng." Hemos descubierto que su tasa de desgaste se acerca a la de los diamantes, el material más duro conocido ".

La tasa de desgaste se expresa en milímetros cúbicos negativos de Newton metros (Nm). La tasa de tiza, que prácticamente no tiene resistencia al desgaste, es del orden de 10 2 mm3 / Nm, mientras que el de los diamantes está entre 10-9 y 10-10, haciendo que los diamantes sean ocho órdenes de magnitud más resistentes al desgaste que la tiza. La tasa de GaN varía de 10-7 a 10-9, acercándose a la resistencia al desgaste de los diamantes y de tres a cinco órdenes de magnitud más resistente al desgaste que el silicio (10-4).

Los investigadores de Lehigh midieron la tasa de desgaste y los coeficientes de fricción de GaN utilizando un microtribómetro personalizado para realizar experimentos de desgaste por deslizamiento en seco. Quedaron sorprendidos por los resultados.

"Al realizar mediciones de desgaste de materiales desconocidos, "escribieron en APL, "normalmente deslizamos por 1, 000 ciclos, luego mida las cicatrices de desgaste; [estos] experimentos tuvieron que aumentarse a 30, 000 ciclos alternativos para ser medidos con nuestro perfilómetro óptico.

"La amplia gama de tasas de desgaste (alrededor de dos órdenes de magnitud) ... puede proporcionar información sobre los mecanismos de desgaste de GaN".

Ese rango de resistencia al desgaste, los investigadores dijeron, es causado por varios factores, incluido el medio ambiente, dirección cristalográfica y, especialmente, humedad.

"La primera vez que observamos la tasa de desgaste ultrabajo de GaN fue en invierno, ", dijo Zeng." Estos resultados no se pudieron replicar en verano, cuando la tasa de desgaste del material aumentó en dos órdenes de magnitud ".

Para determinar cómo la mayor humedad del verano estaba afectando el rendimiento de desgaste de GaN, los investigadores colocan su tribómetro en una guantera que se puede rellenar con nitrógeno o aire húmedo.

"Observamos que a medida que aumentamos la humedad dentro de la guantera, también aumentamos la tasa de desgaste de GaN, "dijo Zeng.

Zeng dio una presentación sobre el proyecto Lehigh en octubre en el Taller Internacional sobre Semiconductores de Nitruro (IWN 2016) en Orlando, Florida. La sesión en la que habló se tituló "Desgaste de materiales de nitruro y propiedades de estructuras basadas en GaN". Zeng fue uno de los siete presentadores en la sesión y el único que discutió las propiedades de desgaste del GaN y otros materiales de nitruro III.

Tansu, que ha estudiado GaN durante más de una década, y Krick, un experto en tribología, sintió curiosidad por el rendimiento de desgaste de GaN hace varios años cuando discutieron sus proyectos de investigación después de una reunión de la facultad de Lehigh.

"Nelson me preguntó si alguien había investigado alguna vez las propiedades de fricción y desgaste del nitruro de galio, "dijo Krick, "y dije que no lo sabía. Verificamos más tarde y encontramos un campo abierto".

Tansu dijo que el descubrimiento del grupo de la dureza y el rendimiento de desgaste de GaN podría tener un efecto dramático en las industrias de dispositivos electrónicos y digitales. En un dispositivo como un teléfono inteligente, él dijo, los componentes electrónicos están alojados debajo de una capa protectora de cristal o zafiro. Esto plantea posibles problemas de compatibilidad que podrían evitarse utilizando GaN.

"La resistencia al desgaste de GaN, "dijo Tansu, "nos da la oportunidad de reemplazar las múltiples capas en un dispositivo semiconductor típico con una capa hecha de un material que tiene excelentes propiedades ópticas y eléctricas y que también es resistente al desgaste.

"Con GaN, puede construir un dispositivo completo en una plataforma sin múltiples capas de tecnologías. Puedes integrar electrónica, sensores de luz y emisores de luz y todavía tienen un dispositivo mecánicamente robusto. Esto abrirá un nuevo paradigma para diseñar dispositivos. Y debido a que GaN se puede hacer muy delgado y aún fuerte, acelerará el paso a la electrónica flexible ".

Además de su inesperado buen comportamiento frente al desgaste, dijo Zeng, GaN también tiene una dureza de radiación favorable, que es una propiedad importante para las células solares que alimentan los vehículos espaciales. En el espacio exterior, estas células solares encuentran grandes cantidades de polvo cósmico muy fino, junto con rayos X y rayos gamma, y por lo tanto requieren un revestimiento resistente al desgaste, que a su vez debe ser compatible con los circuitos electrónicos de la celda. GaN proporciona la dureza necesaria sin introducir problemas de compatibilidad con los circuitos.

El grupo Lehigh ha comenzado a colaborar con Bruce E. Koel, un experto en química de superficies y profesor de ingeniería química y biológica en la Universidad de Princeton, para obtener una mejor comprensión de la interacción de GaN y el agua en contacto. Koel fue anteriormente profesor de química y vicepresidente de investigación y estudios de posgrado en Lehigh.

Para determinar la evolución del desgaste con GaN, el grupo ha sometido a GaN a tensiones mediante la ejecución de pruebas de deslizamiento en las que se varía la distancia de deslizamiento y el número correspondiente de ciclos. Luego, el grupo usa un espectrómetro de fotoelectrones de rayos X (XPS), que puede identificar la composición elemental de los primeros 12 nanómetros de una superficie, para escanear la superficie sin usar del GaN, la cicatriz creada por la máquina de diapositivas, y las partículas de desgaste depositadas por la máquina deslizante a cada lado de la cicatriz.

A continuación, el grupo planea utilizar microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberraciones para examinar la red de átomos debajo de la cicatriz. Mientras tanto, simularán una prueba en la que se cuela la celosía con agua para observar las variaciones provocadas por la energía deformante.

"Este es un experimento muy nuevo, ", dijo Zeng." Nos permitirá ver la química dinámica de la superficie al observar la reacción química que se produce cuando se aplica cizalla, presión de tracción o compresión a la superficie de GaN ".