用于微芯片传感器的新型超强材料

诸平

Fig. 1 R.A. (Richard) Norte

Fig. 2 Nanostrings

据荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology简称TU Delft，Delft CD, The Netherlands）2023年11月3日提供的消息，荷兰代尔夫特理工大学和美国布朗大学工程学院（Brown University, School of Engineering, Providence, RI, USA）的研究人员合作，开发出用于微芯片传感器的新型超强材料（New ultra strong material for microchip sensors）。这种材料不仅可以与钻石（diamonds）和石墨烯（graphene）的强度相媲美，而且屈服强度（yield strength）比凯夫拉（Kevlar）纤维高 10 倍，凯夫拉纤维因用于防弹背心（bulletproof vests）而闻名。相关研究结果于2023年10月12日已经在《先进材料》（Advanced Materials）杂志网站发表——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, 2306513. DOI: 10.1002/adma.202306513. First published: 12 October 2023. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202306513

代尔夫特理工大学的研究人员在助理教授理查德·诺特（Richard Norte，Fig. 1）的带领下，推出了一种具有潜力影响材料科学领域的非凡新材料：非晶碳化硅 (amorphous silicon carbide, a-SiC)。除了其卓越的强度之外，这种材料还表现出对于微芯片隔振至关重要的机械性能。因此，非晶碳化硅特别适合制造超灵敏的微芯片传感器。

这种材料潜在的应用范围非常广泛。从超灵敏微芯片传感器和先进的太阳能电池，到开创性的太空探索和DNA测序技术。这种材料的强度优势与其可扩展性相结合，使其极具前景。

十辆中型车（Ten medium-sized cars）

理查德·诺特解释道：“为了更好地理解‘非晶形’的关键特征，可以将大多数材料视为由按规则图案排列的原子组成，就像一座错综复杂的乐高塔。这些被称为“晶体”材料，例如钻石（金刚石）。它的碳原子完美排列，从而使其具有著名的硬度。”

然而，非晶形材料类似于一组随机堆积的乐高积木，其中原子缺乏一致的排列。但与预期相反，这种随机化并不会导致脆弱性。事实上，非晶碳化硅就是这种随机性产生的强度的证明。这种新材料的拉伸强度为 10 GPa(GigaPascal)。“为了理解这意味着什么，想象一下尝试拉伸一段管道胶带（duct tape）直到它断裂。现在，如果你想模拟相当于10 GPa的拉伸应力，你需要在它断裂之前，将大约10辆中型汽车悬挂在末端，”理查德·诺特说。

纳米带（Nanostrings）

研究人员采用了一种创新方法来测试这种材料的拉伸强度。他们没有采用可能因材料固定方式而产生误差的传统方法，而是转向了微芯片技术。通过在硅基板上生长非晶碳化硅薄膜并将其悬浮，他们利用纳米带的几何形状来产生高张力。通过制造许多具有不断增加的拉力的此类结构，他们仔细观察了断裂点。这种基于微芯片的方法不仅确保了前所未有的精度，而且为未来的材料测试铺平了道路。

为什么关注纳米带？“纳米带是基本的构建模块，是可用于构建更复杂的悬浮结构（intricate suspended structures）的基础。在纳米带中展示高屈服强度意味着以最基本的形式展示强度。”

从微观到宏观（From micro to macro）

最终使这种材料与众不同的是它的可扩展性。石墨烯是单层碳原子，以其令人印象深刻的强度而闻名，但大规模生产具有挑战性。金刚石虽然非常坚固，但要么在自然界中很稀有，要么合成成本很高。另一方面，非晶碳化硅可以以晶片尺寸生产，从而提供这种极其坚固的材料的大片材。

理查德·诺特总结道：“随着非晶碳化硅的出现，我们已经站在了充满技术可能性的微芯片研究的门槛上。”

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Abstract

For decades, mechanical resonators with high sensitivity have been realized using thin-film materials under high tensile loads. Although there have been remarkable strides in achieving low-dissipation mechanical sensors by utilizing high tensile stress, the performance of even the best strategy is limited by the tensile fracture strength of the resonator materials. In this study, a wafer-scale amorphous thin film is uncovered, which has the highest ultimate tensile strength ever measured for a nanostructured amorphous material. This silicon carbide (SiC) material exhibits an ultimate tensile strength of over 10 GPa, reaching the regime reserved for strong crystalline materials and approaching levels experimentally shown in graphene nanoribbons. Amorphous SiC strings with high aspect ratios are fabricated, with mechanical modes exceeding quality factors 10⁸ at room temperature, the highest value achieved among SiC resonators. These performances are demonstrated faithfully after characterizing the mechanical properties of the thin film using the resonance behaviors of free-standing resonators. This robust thin-film material has significant potential for applications in nanomechanical sensors, solar cells, biological applications, space exploration and other areas requiring strength and stability in dynamic environments. The findings of this study open up new possibilities for the use of amorphous thin-film materials in high-performance applications.