Le nitrure de gallium (GaN) est devenu l'un des matériaux semi-conducteurs les plus importants et les plus largement utilisés. Ses propriétés optoélectroniques et mécaniques le rendent idéal pour une variété d'applications, y compris les diodes électroluminescentes (LED), transistors haute température, capteurs et implants électroniques biocompatibles chez l'homme.

En 2014, trois scientifiques japonais ont remporté le prix Nobel de physique pour avoir découvert le rôle essentiel du GaN dans la génération de lumière LED bleue, qui est requis, en combinaison avec la lumière rouge et verte, pour produire des sources lumineuses à LED blanches.

Maintenant, quatre ingénieurs de Lehigh ont signalé une propriété jusqu'alors inconnue du GaN :sa résistance à l'usure se rapproche de celle des diamants et promet d'ouvrir des applications dans les écrans tactiles, véhicules spatiaux et systèmes microélectromécaniques à radiofréquence (MEMS RF), qui nécessitent tous une vitesse élevée, technologie à haute vibration.

Les chercheurs ont fait part de leurs découvertes en août dans Lettres de physique appliquée ( APL ) dans un article intitulé "Ultrafaible usure du nitrure de gallium". Les auteurs de l'article sont Guosong Zeng, un doctorat candidat en génie mécanique; Nelson Tansu, Daniel E. '39 et Patricia M. Smith professeur titulaire de la chaire dans le département de génie électrique et informatique, et directeur du Centre de photonique et nanoélectronique (CPN); Brandon A. Krick, professeur adjoint de génie mécanique et de mécanique; et Chee-Keong Tan '16 Ph.D., maintenant professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université Clarkson.

Les propriétés électroniques et optiques du GaN ont été largement étudiées depuis plusieurs décennies, dit Zeng, l'auteur principal de l'article de l'APL, mais pratiquement aucune étude n'a été faite sur ses propriétés tribologiques, C'est, sa résistance à l'usure mécanique imposée par le glissement alternatif.

"Notre groupe est le premier à étudier les performances d'usure du GaN, " a déclaré Zeng. "Nous avons constaté que son taux d'usure se rapproche de celui des diamants, le matériau le plus dur connu."

Le taux d'usure est exprimé en millimètres cubes négatifs de Newton mètres (Nm). Le tarif de la craie, qui n'a pratiquement aucune résistance à l'usure, est de l'ordre de 10 2 mm3/Nm, tandis que celui des diamants est compris entre 10-9 et 10-10, rendant les diamants huit ordres de grandeur plus résistants à l'usure que la craie. Le taux de GaN varie de 10¬-7 à 10-9, approchant la résistance à l'usure des diamants et de trois à cinq ordres de grandeur plus résistant à l'usure que le silicium (10-4).

Les chercheurs de Lehigh ont mesuré le taux d'usure et les coefficients de frottement du GaN à l'aide d'un microtribomètre personnalisé pour effectuer des expériences d'usure par glissement à sec. Ils ont été surpris par les résultats.

"Lorsque vous effectuez des mesures d'usure de matériaux inconnus, " ont-ils écrit en APL, "Nous glissons généralement pour 1, 000 cycles, mesurer ensuite les cicatrices d'usure; [ces] expériences ont dû être augmentées à 30, 000 cycles alternatifs à mesurer avec notre profilomètre optique.

"La large gamme de taux d'usure (environ deux ordres de grandeur)... peut donner un aperçu des mécanismes d'usure du GaN."

Cette gamme de résistance à l'usure, les chercheurs ont dit, est causée par plusieurs facteurs, y compris l'environnement, direction cristallographique et, surtout, humidité.

« La première fois que nous avons observé le taux d'usure ultra-faible du GaN, c'était en hiver, " a déclaré Zeng. "Ces résultats n'ont pas pu être reproduits en été, lorsque le taux d'usure du matériau a augmenté de deux ordres de grandeur."

Pour déterminer comment l'humidité estivale plus élevée affectait les performances d'usure du GaN, les chercheurs ont placé leur tribomètre dans une boîte à gants qui peut être remplie d'azote ou d'air humide.

« Nous avons observé que lorsque nous augmentions l'humidité à l'intérieur de la boîte à gants, nous avons également augmenté le taux d'usure du GaN, " dit Zeng.

Zeng a fait une présentation sur le projet Lehigh en octobre à l'International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2016) à Orlando, Floride. La session au cours de laquelle il a pris la parole était intitulée « Usure des matériaux en nitrure et propriétés des structures à base de GaN ». Zeng était l'un des sept présentateurs à la session et le seul à discuter des propriétés d'usure du GaN et d'autres matériaux III-Nitride.

Tansu, qui a étudié le GaN pendant plus d'une décennie, et Krick, un expert en tribologie, sont devenus curieux des performances d'usure de GaN il y a plusieurs années lorsqu'ils ont discuté de leurs projets de recherche après une réunion du corps professoral de Lehigh.

"Nelson m'a demandé si quelqu'un avait déjà étudié les propriétés de frottement et d'usure du nitrure de gallium, " dit Krick, "et j'ai dit que je ne savais pas. Nous avons vérifié plus tard et avons trouvé un champ grand ouvert."

Tansu a déclaré que la découverte par le groupe de la dureté et des performances d'usure du GaN pourrait avoir un effet dramatique sur les industries des appareils électroniques et numériques. Dans un appareil tel qu'un smartphone, il a dit, les composants électroniques sont logés sous une couche protectrice de verre ou de saphir. Cela pose des problèmes de compatibilité potentiels qui pourraient être évités en utilisant GaN.

"La résistance à l'usure du GaN, " dit Tansu, « nous donne la possibilité de remplacer les multiples couches d'un dispositif semi-conducteur typique par une couche constituée d'un matériau doté d'excellentes propriétés optiques et électriques et résistant à l'usure.

"En utilisant GaN, vous pouvez créer un appareil entier sur une plate-forme sans plusieurs couches de technologies. Vous pouvez intégrer l'électronique, capteurs de lumière et émetteurs de lumière et ont toujours un dispositif mécaniquement robuste. Cela ouvrira un nouveau paradigme pour la conception d'appareils. Et parce que le GaN peut être rendu très fin et toujours solide, cela accélérera le passage à l'électronique flexible."

En plus de ses performances d'usure étonnamment bonnes, dit Zeng, GaN a également une dureté de rayonnement favorable, qui est une propriété importante pour les cellules solaires qui alimentent les véhicules spatiaux. Dans l'espace, ces cellules solaires rencontrent de grandes quantités de poussière cosmique très fine, ainsi que les rayons X et les rayons gamma, et nécessitent donc un revêtement résistant à l'usure, qui à son tour doit être compatible avec les circuits électroniques de la cellule. GaN fournit la dureté nécessaire sans introduire de problèmes de compatibilité avec les circuits.

Le groupe Lehigh a commencé à collaborer avec Bruce E. Koel, un expert en chimie de surface et professeur de génie chimique et biologique à l'Université de Princeton, pour mieux comprendre l'interaction du GaN et de l'eau au contact. Koel était auparavant professeur de chimie et vice-président pour la recherche et les études supérieures à Lehigh.

Pour déterminer l'évolution de l'usure avec GaN, le groupe a soumis GaN à des contraintes en exécutant des tests de glissement dans lesquels la distance de glissement et le nombre de cycles correspondant sont modifiés. Le groupe utilise ensuite un spectromètre de photoélectrons à rayons X (XPS), qui permet d'identifier la composition élémentaire des 12 premiers nanomètres d'une surface, pour scanner la surface non usée du GaN, la cicatrice créée par la machine à glissière, et les particules d'usure déposées par la machine à glissière de chaque côté de la cicatrice.

Le groupe prévoit ensuite d'utiliser la microscopie électronique à transmission avec correction d'aberrations pour examiner le réseau d'atomes sous la cicatrice. Pendant ce temps, ils simuleront un essai dans lequel le réseau est tendu avec de l'eau afin d'observer les variations provoquées par l'énergie déformante.

"C'est une toute nouvelle expérience, " a déclaré Zeng. " Cela nous permettra de voir la chimie de surface dynamique en observant la réaction chimique qui se produit lorsque vous appliquez un cisaillement, pression de traction ou de compression à la surface du GaN."