科學家開發了非晶碳化矽，這是一種強度高、可擴展的材料，可用於微晶片感測器、太陽能電池和太空探索。這項突破有望推動材料科學和微晶片技術取得重大進展。非晶碳化矽奈米環拉伸強度測試圖。這種材質的強度不僅可與鑽石和石墨烯媲美，其屈服強度更是因用於防彈背心而聞名於世的凱夫拉（Kevlar）材質的10 倍。

幾十年來，人們利用薄膜材料在高拉伸負荷下實現了高靈敏度機械諧振器。儘管在利用高拉伸應力實現低耗散機械感測器方面取得了長足進步，但即使是最好的策略，其性能也受到諧振器材料拉伸斷裂強度的限制。

代爾夫特理工大學的研究人員在助理教授理查德-諾特（Richard Norte）的領導下，推出了一種有望影響材料科學世界的非凡新材料：非晶碳化矽（a-SiC）。

這種材料不僅具有超強的強度，還具有對微晶片隔振至關重要的機械性能。因此，非晶碳化矽特別適合製造超靈敏微型晶片感測器。

潛在的應用範圍非常廣泛。從超靈敏微晶片感測器和先進的太陽能電池到先驅性太空探索和DNA 定序技術。這種材料的強度優勢與可擴展性相結合，使其前景異常廣闊。

諾特解釋說：”為了更好地理解”非晶態”這一關鍵特性，可以把大多數材料想像成由原子以規則的模式排列而成，就像一座錯綜複雜的樂高塔。這些材料被稱為”晶體”材料，例如鑽石。它的碳原子完全排列整齊，因而具有著名的硬度。然而，無定形材料就像隨意堆砌的樂高積木，原子排列不一致。但與預期相反的是，這種隨機性並不會導致脆弱。事實上，非晶碳化矽就證明了這種隨機性所產生的強度。”

這種新材料的拉伸強度達到10 千兆帕（GPa）。”要理解這意味著什麼，想像一下試圖拉伸一條膠帶直到它斷裂。”諾特說：”現在，如果你想模擬相當於10 GPa 的拉伸應力，你需要在膠帶斷裂前將大約10 輛中型汽車端對端地掛在膠帶上。”

奈米彈簧

研究人員採用了一種創新方法來測試這種材料的拉伸強度。傳統的方法可能會因材料的固定方式而產生誤差，而他們採用了微晶片技術。透過在矽基底上生長非晶碳化矽薄膜並將其懸掛起來，他們利用奈米環的幾何形狀誘發了高拉伸力。透過製造許多這樣的結構並不斷增加拉力，他們細緻地觀察了斷裂點。這種基於微晶片的方法不僅確保了前所未有的精度，也為未來的材料測試鋪平了道路。

為什麼我們需要關注奈米環？奈米環是最基本的構件，也是建構更複雜懸浮結構的基礎。在奈米環中展示高屈服強度，就是展現最基本形式的強度。

從微觀到宏觀

使這種材料與眾不同的是它的可擴展性。由單層碳原子組成的石墨烯以其驚人的強度而聞名，但要大量生產卻很困難。鑽石雖然堅固無比，但在自然界中十分罕見，而且合成成本高昂。另一方面，非晶碳化矽可以在晶圓規模上生產，提供這種堅固無比的大塊材料。

諾特總結說：”隨著非晶碳化矽的出現，我們正站在充滿技術可能性的微晶片研究的門檻上。”

這種堅固的薄膜材料在奈米機械感測器、太陽能電池、生物應用、太空探索以及其他需要在動態環境中保持強度和穩定性的領域有著巨大的應用潛力。這項研究的發現為非晶態薄膜材料在高性能應用領域的應用開闢了新的可能性。

編譯來源：ScitechDaily