O nitreto de gálio (GaN) emergiu como um dos materiais semicondutores mais importantes e amplamente usados. Suas propriedades optoeletrônicas e mecânicas o tornam ideal para uma variedade de aplicações, incluindo diodos emissores de luz (LEDs), transistores de alta temperatura, sensores e implantes eletrônicos biocompatíveis em humanos.

Em 2014, três cientistas japoneses ganharam o Prêmio Nobel de Física por descobrirem o papel crítico do GaN na geração de luz LED azul, o que é necessário, em combinação com luz vermelha e verde, para produzir fontes de luz LED branca.

Agora, quatro engenheiros da Lehigh relataram uma propriedade anteriormente desconhecida para GaN:sua resistência ao desgaste se aproxima da dos diamantes e promete abrir aplicações em telas sensíveis ao toque, veículos espaciais e sistemas microeletromecânicos de radiofrequência (RF MEMS), todos os quais requerem alta velocidade, tecnologia de alta vibração.

Os pesquisadores relataram suas descobertas em agosto, em Cartas de Física Aplicada ( APL ) em um artigo intitulado "Desgaste ultraleve do nitreto de gálio". Os autores do artigo são Guosong Zeng, um Ph.D. candidato em engenharia mecânica; Nelson Tansu, Daniel E. '39 e Patricia M. Smith Professor Catedrático do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, e Diretor do Centro de Fotônica e Nanoeletrônica (CPN); Brandon A. Krick, professor assistente de engenharia mecânica e mecânica; e Chee-Keong Tan '16 Ph.D., agora é professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Clarkson University.

As propriedades eletrônicas e ópticas do GaN foram estudadas extensivamente por várias décadas, disse Zeng, o autor principal do artigo APL, mas praticamente nenhum estudo foi feito de suas propriedades tribológicas, isso é, sua resistência ao desgaste mecânico imposto pelo deslizamento recíproco.

"Nosso grupo é o primeiro a investigar o desempenho de desgaste do GaN, "disse Zeng." Descobrimos que sua taxa de desgaste se aproxima da dos diamantes, o material mais duro conhecido. "

A taxa de desgaste é expressa em milímetros cúbicos negativos de Newton metros (Nm). A taxa de giz, que praticamente não tem resistência ao desgaste, é da ordem de 10 2 mm3 / Nm, enquanto o de diamantes está entre 10-9 e 10-10, tornando os diamantes de oito ordens de magnitude mais resistentes ao desgaste do que o giz. A taxa de GaN varia de 10¬-7 a 10-9, aproximando-se da resistência ao desgaste de diamantes e três a cinco ordens de magnitude mais resistente ao desgaste do que o silício (10-4).

Os pesquisadores de Lehigh mediram a taxa de desgaste e os coeficientes de atrito do GaN usando um microtribômetro personalizado para realizar experimentos de desgaste por deslizamento a seco. Eles ficaram surpresos com os resultados.

"Ao realizar medições de desgaste de materiais desconhecidos, "eles escreveram em APL, "normalmente deslizamos para 1, 000 ciclos, em seguida, meça as cicatrizes de desgaste; [esses] experimentos tiveram que ser aumentados para 30, 000 ciclos alternativos mensuráveis ​​com nosso perfilômetro óptico.

"A grande variação nas taxas de desgaste (cerca de duas ordens de magnitude) ... pode fornecer uma visão sobre os mecanismos de desgaste do GaN."

Essa faixa de resistência ao desgaste, os pesquisadores disseram, é causado por vários fatores, incluindo meio ambiente, direção cristalográfica e, especialmente, umidade.

"A primeira vez que observamos a taxa de desgaste ultrabaixa de GaN foi no inverno, "disse Zeng." Esses resultados não puderam ser replicados no verão, quando a taxa de desgaste do material aumentou em duas ordens de magnitude. "

Para determinar como a maior umidade do verão estava afetando o desempenho de desgaste do GaN, os pesquisadores colocaram seu tribômetro em um porta-luvas que pode ser preenchido com nitrogênio ou ar úmido.

"Observamos que, conforme aumentamos a umidade dentro do porta-luvas, também aumentamos a taxa de desgaste de GaN, "disse Zeng.

Zeng fez uma apresentação sobre o projeto Lehigh em outubro no International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2016) em Orlando, Flórida. A sessão em que ele falou foi intitulada "Desgaste de materiais de nitreto e propriedades de estruturas baseadas em GaN." Zeng foi um dos sete apresentadores na sessão e o único a discutir as propriedades de desgaste do GaN e outros materiais de nitreto III.

Tansu, que estudou GaN por mais de uma década, e Krick, um especialista em tribologia, Ficou curioso sobre o desempenho do GaN no desgaste há vários anos, quando discutiram seus projetos de pesquisa após uma reunião com o corpo docente de Lehigh.

"Nelson me perguntou se alguém já havia investigado as propriedades de fricção e desgaste do nitreto de gálio, "disse Krick, "e eu disse que não sabia. Verificamos mais tarde e encontramos um campo aberto."

Tansu disse que a descoberta do grupo sobre a dureza e desempenho de desgaste do GaN pode ter um efeito dramático nas indústrias de dispositivos eletrônicos e digitais. Em um dispositivo como um smartphone, ele disse, os componentes eletrônicos são alojados sob uma camada protetora de vidro ou safira. Isso apresenta possíveis problemas de compatibilidade que podem ser evitados com o uso de GaN.

"A resistência ao desgaste do GaN, "disse Tansu, "nos dá a oportunidade de substituir as camadas múltiplas em um dispositivo semicondutor típico por uma camada feita de um material que tem excelentes propriedades ópticas e elétricas e também é resistente ao desgaste.

"Usando GaN, você pode construir um dispositivo inteiro em uma plataforma sem várias camadas de tecnologias. Você pode integrar eletrônicos, sensores de luz e emissores de luz e ainda possuem um dispositivo mecanicamente robusto. Isso abrirá um novo paradigma para projetar dispositivos. E porque GaN pode ser feito muito fino e ainda forte, isso vai acelerar a mudança para a eletrônica flexível. "

Além de seu desempenho de desgaste inesperadamente bom, disse Zeng, GaN também tem uma dureza de radiação favorável, que é uma propriedade importante para as células solares que alimentam os veículos espaciais. No espaço, essas células solares encontram grandes quantidades de poeira cósmica muito fina, junto com raios-x e raios gama, e, portanto, exigem um revestimento resistente ao desgaste, que, por sua vez, precisa ser compatível com o circuito eletrônico da célula. GaN fornece a dureza necessária sem introduzir problemas de compatibilidade com o circuito.

O grupo Lehigh começou a colaborar com Bruce E. Koel, um especialista em química de superfície e professor de engenharia química e biológica na Universidade de Princeton, para obter uma melhor compreensão da interação de GaN e água sob contato. Koel foi professor de química e vice-presidente de pesquisa e pós-graduação em Lehigh.

Para determinar a evolução do desgaste com GaN, o grupo submeteu GaN a tensões executando testes de slide em que a distância do slide e o número correspondente de ciclos são variados. O grupo então usa um espectrômetro de fotoelétrons de raios-X (XPS), que pode identificar a composição elementar dos primeiros 12 nanômetros de uma superfície, para fazer a varredura da superfície não usada do GaN, a cicatriz criada pela máquina de slides, e as partículas de desgaste depositadas pela máquina de lâminas em ambos os lados da cicatriz.

O grupo planeja em seguida usar microscopia eletrônica de transmissão com correção de aberração para examinar a rede de átomos abaixo da cicatriz. Enquanto isso, eles simularão um teste em que a rede é tensionada com água para observar as variações causadas pela energia deformante.

"Este é um experimento muito novo, "disse Zeng." Isso nos permitirá ver a química da superfície dinâmica, observando a reação química que resulta quando você aplica o cisalhamento, pressão de tração ou compressão na superfície do GaN. "