氮化镓其实超耐磨！快赶上钻石了

美国理海大学(Lehigh University)的研究人员在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)期刊中发表最新发现，他们在“超低磨损的氮化镓”(Ultralow wear of gallium nitride)一文中指出，氮化镓(GaN)具有一种以往不为人知的特性——其抗磨力接近于钻石，这一特性将有助于开启在触控屏幕、太空载具以及射频(RF) MEMS等要求高速、高振动技术的新应用。

该研究论文的主要作者Guosong Zeng说，有关氮化镓的电子与光学特性已经广泛研究几十年了，但几乎没有任何研究针对其摩擦力——即其因来回滑动造成机械磨损的抵抗力。

“我们的研究团队率先针对GaN的磨损性能进行研究，”Guosong Zeng说：“我们发现其抗磨硬度接近于钻石——这是目前已知硬度最高的物质。”

磨损率以牛顿米(Nm)的负立方毫米表示。白垩(粉笔)约为10^-2mm^3/Nm，几乎一点都不耐磨，而钻石的磨损率为10^-9与10^-10之间，较粉笔的磨损率更高80倍。GaN的磨损率则大约在10^-7与10^-9之间，接近于钻石的磨损率，并且较硅(10^-4)具有更高3至5个数量级的抗磨损能力。

为了进行滑动磨损试验，理海大学研究人员利用客制的微磨擦磨损测试机测量GaN的磨损率和摩擦系数。

研究人员说，抗磨的范围是由几个因素造成的，包括环境、结晶方向以及湿度。

“我们第一次观察到GaN的超低损耗率是在冬天，”Zeng说“而这些结果到了夏天却无法同样复制，当时材料的磨损率增加了两个数量级。”

为了确定夏季更高的湿度如何影响GaN的磨擦性能，研究人员将摩擦计放在能回填氮气或潮湿空气的手套箱中。

“我们观察到，随着手套箱内的湿度增加，GaN的磨损率也提高了，”Zeng说。

该研究的另一名作者Tansu表示，研究团队发现GaN的硬度与磨损性能可能对于电子与数字组件产业带来重大影响。他以智能型手机为例表示，电子组件采用玻璃或蓝宝石的保护涂层封装，这可能带来潜在的兼容性问题，而如果使用GaN则可避免这个问题。

“GaN所具有的抗磨力，”Tansu说，“让我们有机会能以一层具有光学与电子特性以及耐磨的材料，取代一般半导体组件中所使用的多层材料。”

“采用GaN，就能以无需多层技术的平台，打造一款完整的组件。你可以整合电子、光传感器以及光发射器，同时仍然保有组件的机械稳定度。这将为组件设计启新的典范。而且，因为GaN可做得极其轻薄而仍然十分坚固，将有助于加速迈向软性电子之路。”

除了具备优异的耐磨损性能，Zeng指出，GaN还具有良好的辐射硬度；对于为太空载具供电的太阳能电池来说，这正是一项重要的特性。在外层空间，这些太阳能电池遭遇到大量极其细小的宇宙灰尘，以及x射线和Y射线(伽马射线)，因而需要耐磨损的涂层，而这又必须与电池的电路兼容。GaN提供必要的硬度，而不至于引发与电路的兼容性问题。

目前，理海大学的研究团队开始与普林斯顿大学(Princeton University)化学与生物工程教授暨表面化学专家Bruce E. Koel共同探索，以便更能了解GaN与水接触的相互作用。

编译：Susan Hong

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

关注最前沿的电子设计资讯，请关注“电子工程专辑微信公众号”。