‘Op microchips zitten heel gevoelige sensoren. Die kunnen een groot aantal verschillende functies hebben. Versnellingssensoren worden bijvoorbeeld veel toegepast. Ze zitten onder andere in telefoons om de rotatie van het beeldscherm te bepalen’, vertelt Richard Norte, onderzoeksleider van de afdelingen Precision & Microsystems Engineering en Quantum Nanoscience van de Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE) van de TU Delft.  

Versnellingssensoren zijn heel kleine objecten. Door beweging gaat het object vibreren en het signaal dat hierdoor wordt gegenereerd, zorgt ervoor dat het scherm in de juiste positie wordt weergegeven. Norte: ‘Het gaat om structuren met een lengte van ongeveer een millimeter en de dikte van honderd nanometer. Om een heel kleine vibratie goed te kunnen doorgeven moeten de materialen heel sterk zijn. Je kunt dit type gevoelige sensoren alleen maken uit materialen met een heel hoge treksterkte.’  

Klein krasje 

‘De sterkste materialen die we kennen hebben een kristallijne structuur, zoals diamant of grafeen. Deze materialen zijn op moleculair niveau perfect geordend en daardoor zijn ze heel sterk. Een nadeel is dat een klein defect in de structuur ervoor kan zorgen dat deze stuk gaat. Een klein krasje in een kristallijn materiaal kan het helemaal laten verbrokkelen’, legt Norte uit. Bij amorfe materialen speelt dat probleem niet. Amorfe materialen zijn willekeurig geordend, maar ze blijken op nanoschaal enorm sterk te zijn. ‘We wilden graag de treksterkte van deze materialen weten. Normaal gesproken wordt de treksterkte met grote machines gemeten door het aan twee kanten vast te klemmen en op te rekken. In het materiaal ontstaan dan defecten waardoor het breekt. Dit kun je alleen doen om de treksterkte op macroschaal te meten.’  

Op nanoschaal is dit niet mogelijk, omdat er onregelmatigheden kunnen optreden door de verankering van het materiaal. De invloed van de apparatuur op de sterkte is op deze schaal te groot. Daarom ontwikkelden Norte en collega’s een nieuwe methode om de treksterkte te meten, waarbij ze verschillende lagen amorf siliciumcarbide (SiC) op een substraat van silicium aanbrachten. Ze gebruikten hiervoor nanostrengen van enkele millimeters lang en slechts ongeveer 80 nanometer in doorsnee. Door deze verhouding is de treksterkte van de strengen hoog. Door steeds een geometrie te kiezen met een hogere treksterkte, kon met observatie met een elektronenmicroscoop het breekpunt worden gevonden.  

Duct-tape 

Tot enthousiasme van de onderzoekers vertoonde amorf siliciumcarbide een erg hoge treksterkte: 10 GPa. Om een idee te geven hoe sterk dit is, vergelijkt Norte het met een stuk duct-tape dat pas zou breken als je er tien auto’s aan hangt. Hij vindt het fascinerend dat het werken op nanoschaal zulke prestaties mogelijk maakt. ‘Op macroschaal is een kracht van 10 GPa ondenkbaar. Op nanoschaal zijn veel minder defecten, waardoor de sterkte vele malen groter is dan op grotere schaal.’  

Opschaalbaar 

Het is een groot voordeel dat het materiaal zo sterk is, maar een nog groter voordeel is het, dat het ook gemakkelijk op microchips kan worden aangebracht. Microchips kunnen met verschillende technieken worden gemaakt. Naar gelang van de functie kunnen patronen in dunne films van siliciumcarbide worden gesneden. ‘Het is heel erg moeilijk en duur om diamant of grafeen op een hele wafer aan te brengen. Voor amorf siliciumcarbide is dat veel gemakkelijker. Dit kan in gasvorm in een oven op de drager worden aangebracht. We kunnen met de ovens die we hier beschikbaar hebben een oppervlakte met een diameter van 100 millimeter bedekken. Opschalen is goed mogelijk.’ De chips-industrie zal daarom zeker met interesse naar dit materiaal kijke, aldus Norte.  

Minxing Xu, et al., High-Strength Amorphous Silicon Carbide for Nanomechanics, Advanced Materials (2023), [Open Access]