理海大學(xué)的研究人員最近發(fā)現(xiàn)，GaN的磨損率超低，可與已知最硬的鉆石相媲美。

    目前，氮化鎵（GaN）已成為最重要、最廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料之一。其光電性能和機(jī)械性能使其成為多種應(yīng)用的理想選擇，包括發(fā)光二極管、高溫晶體管、傳感器以及與人體生物相容的電子植入物。

    三名日本科學(xué)家由于發(fā)現(xiàn)GaN在產(chǎn)生藍(lán)光LED燈中的重要作用而獲得了2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。結(jié)合紅光和綠光產(chǎn)生白光LED光源，藍(lán)光是必不可少的。

    最近，四名理海大學(xué)的工程師報(bào)道了一個(gè)GaN前所未知的屬性：其耐磨性接近鉆石，而且為觸摸屏、空間飛行器和射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF MEMS）這些需要高速、高振動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟了新市場(chǎng)。

    八月份，該研究團(tuán)隊(duì)將他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了Applied Physics Letters（APL）上，題目為“Ultralow wear of gallium nitride”。文章的作者是機(jī)械工程博士生曾國(guó)松，Nelson Tansu, Daniel E.'39，光子學(xué)與電子學(xué)的中心主任（CPN）、電氣與計(jì)算機(jī)工程系的客座教授Patricia M. Smith，機(jī)械工程與力學(xué)系助理教授Brandon A. Krick，以及克拉克森大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的助理教授Chee-Keong Tan'16博士。

    該文章的第一作者Zeng表示：“GaN的電子和光學(xué)性質(zhì)近幾十年來(lái)已被廣泛研究，但實(shí)際上在其摩擦學(xué)性能，即其所施加的往復(fù)滑動(dòng)的機(jī)械耐磨性方面幾乎沒(méi)有研究。我們小組是第一次研究GaN的耐磨性能，并發(fā)現(xiàn)其磨損率接近已知的最硬的材料鉆石。”

    磨損率表示為mm3/Nm。實(shí)際上粉筆的磨損率大約102 mm3/Nm，幾乎沒(méi)有耐磨性，而鉆石的磨損率在10-9與10-10之間，比粉筆的磨損率高出八個(gè)數(shù)量級(jí)。GaN的磨損率在10-7-10-9之間，比鉆石高三到五個(gè)數(shù)量級(jí)，比硅（10-4）的耐磨性更高。

    理海大學(xué)的研究人員使用定制的微型摩擦針進(jìn)行干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，測(cè)量了GaN的摩擦系數(shù)和磨損率，而結(jié)果使他們感到驚訝。他們?cè)谡撐闹袑?xiě)道，當(dāng)對(duì)未知材料進(jìn)行磨損測(cè)量時(shí)，我們通常滑動(dòng)1000個(gè)周期，然后測(cè)量磨痕。為了達(dá)到能被光學(xué)表面光度儀測(cè)量，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被提高到30,000個(gè)周期。 在磨損率（約兩個(gè)數(shù)量級(jí)）的大范圍內(nèi)，可以深入了解GaN的磨損機(jī)制。而磨損率的范圍，是由幾個(gè)因素影響的，包括環(huán)境因素和晶體方向，尤其是濕度的影響。

    “我們第一次觀察到GaN的超低磨損率是在冬天，而在夏天，材料的磨損率增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，結(jié)果不能重復(fù)。”Zeng說(shuō)。為了研究夏季的高濕度是如何影響GaN的磨損性能的，研究人員把他們的摩擦計(jì)放在一個(gè)可以用氮?dú)饣虺睗窨諝饣靥畹氖痔紫渲小?ldquo;我們觀察到，當(dāng)我們?cè)黾邮痔紫鋬?nèi)的濕度， GaN的磨損率也隨之增加。”Zeng說(shuō)。

    十月份，在佛羅里達(dá)州的奧蘭多氮化物半導(dǎo)體國(guó)際研討會(huì)上，Zeng做了一個(gè)關(guān)于理海項(xiàng)目的演講（IWN 2016），題目為“Wear of Nitride Materials and Properties of GaN-based structures”。Zeng是會(huì)上七個(gè)陳述者之一而且是唯一一個(gè)討論GaN等第III族氮化物材料的磨損性能的。

    研究GaN十多年的Tansu和摩擦學(xué)專(zhuān)家Krick，當(dāng)他們幾年前在理海教師會(huì)議討論他們的研究項(xiàng)目時(shí)就已經(jīng)對(duì)GaN的磨損性能充滿(mǎn)了好奇。“Nelson 曾經(jīng)問(wèn)我是否已經(jīng)有人研究了GaN的摩擦和磨損性能，” Krick說(shuō)，“我說(shuō)我不知道。后來(lái)我們調(diào)查了一下并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)廣闊的領(lǐng)域。”

    Tansu說(shuō)：“我們研究小組發(fā)現(xiàn)GaN的硬度和耐磨性能都會(huì)對(duì)電子和數(shù)碼產(chǎn)品行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。在一個(gè)設(shè)備如智能手機(jī)，電子元件被安置在玻璃或藍(lán)寶石的保護(hù)涂層下，這就提出了兼容性的問(wèn)題，而使用GaN可以避免潛在的兼容性問(wèn)題。 GaN的耐磨性給我們提供了一種方法，運(yùn)用具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)性能和耐磨性的單層材料可以替代一個(gè)典型的多層半導(dǎo)體器件。使用GaN，您可以在沒(méi)有多層技術(shù)的平臺(tái)上建立一個(gè)完整的設(shè)備，以及可以集成電子、光傳感器和光發(fā)射器，這將為設(shè)計(jì)設(shè)備提供一個(gè)新的范例。又因?yàn)镚aN可以做得很薄且高強(qiáng)度，這也將加速柔性電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。”

    “GaN除了令人意外的良好耐磨性能外，也有良好的耐輻射性，這是太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)空間飛行器的一個(gè)重要屬性。在外太空中，這些太陽(yáng)能電池將遇到大量的連同X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)的宇宙塵埃，因此需要一個(gè)耐磨涂層，同時(shí)又需要與電池的電子電路兼容。在不考慮與電路的兼容性問(wèn)題情況下，GaN可以提供必要的硬度。” Zeng說(shuō)。

    為了更好的理解GaN和水接觸時(shí)的相互作用，理海團(tuán)隊(duì)已開(kāi)始與普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程教授，表面化學(xué)專(zhuān)家Bruce E. Koel合作。Koel原是理海大學(xué)畢業(yè)，并且是化學(xué)教授兼副校長(zhǎng)。

    為了確定GaN的磨損演變，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變滑動(dòng)測(cè)試時(shí)的滑動(dòng)距離和相應(yīng)的周期數(shù)來(lái)給GaN施加壓力。摩擦機(jī)在樣品表面產(chǎn)生劃痕，而磨損顆粒在劃痕兩側(cè)沉積。然后利用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）掃描未磨損的GaN表面，識(shí)別該表面的元素組成。

    該小組計(jì)劃下一步使用像差校正透射電子顯微鏡檢查劃痕下的原子晶格。同時(shí)，他們將模擬晶格應(yīng)變與水的測(cè)試，用以觀察變形能量所造成的晶格變化。

    Zeng 說(shuō)：“這是一個(gè)非常新穎的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)你施加剪切力、拉伸力或壓縮力到GaN的表面上時(shí)，通過(guò)看化學(xué)反應(yīng)，我們就能夠看到動(dòng)態(tài)的表面化學(xué)結(jié)果。”