新发现——GaN硬度超钻石

材料牛注：理海大学的研究人员最近发现，GaN的磨损率超低，可与已知最硬的钻石相媲美。

目前，氮化镓（GaN）已成为最重要、最广泛应用的半导体材料之一。其光电性能和机械性能使其成为多种应用的理想选择，包括发光二极管、高温晶体管、传感器以及与人体生物相容的电子植入物。

三名日本科学家由于发现GaN在产生蓝光LED灯中的重要作用而获得了2014年的诺贝尔物理学奖。结合红光和绿光产生白光LED光源，蓝光是必不可少的。

最近，四名理海大学的工程师报道了一个GaN前所未知的属性：其耐磨性接近钻石，而且为触摸屏、空间飞行器和射频微机电系统（RF MEMS）这些需要高速、高振动技术的应用开辟了新市场。

八月份，该研究团队将他们的发现发表在了Applied Physics Letters（APL）上，题目为“Ultralow wear of gallium nitride”。文章的作者是机械工程博士生曾国松，Nelson Tansu, Daniel E.’39，光子学与电子学的中心主任（CPN）、电气与计算机工程系的客座教授Patricia M. Smith，机械工程与力学系助理教授Brandon A. Krick，以及克拉克森大学电子与计算机工程系的助理教授Chee-Keong Tan’16博士。

该文章的第一作者Zeng表示：“GaN的电子和光学性质近几十年来已被广泛研究，但实际上在其摩擦学性能，即其所施加的往复滑动的机械耐磨性方面几乎没有研究。我们小组是第一次研究GaN的耐磨性能，并发现其磨损率接近已知的最硬的材料钻石。”

磨损率表示为mm³/Nm。实际上粉笔的磨损率大约10² mm³/Nm，几乎没有耐磨性，而钻石的磨损率在10^-9与10^-10之间，比粉笔的磨损率高出八个数量级。GaN的磨损率在10^-7-10^-9之间，比钻石高三到五个数量级，比硅（10^-4）的耐磨性更高。

理海大学的研究人员使用定制的微型摩擦针进行干滑动磨损试验，测量了GaN的摩擦系数和磨损率，而结果使他们感到惊讶。他们在论文中写道，当对未知材料进行磨损测量时，我们通常滑动1000个周期，然后测量磨痕。为了达到能被光学表面光度仪测量，实验已经被提高到30,000个周期。 在磨损率（约两个数量级）的大范围内，可以深入了解GaN的磨损机制。而磨损率的范围，是由几个因素影响的，包括环境因素和晶体方向，尤其是湿度的影响。

“我们第一次观察到GaN的超低磨损率是在冬天，而在夏天，材料的磨损率增加了两个数量级，结果不能重复。”Zeng说。为了研究夏季的高湿度是如何影响GaN的磨损性能的，研究人员把他们的摩擦计放在一个可以用氮气或潮湿空气回填的手套箱中。“我们观察到，当我们增加手套箱内的湿度， GaN的磨损率也随之增加。”Zeng说。

十月份，在佛罗里达州的奥兰多氮化物半导体国际研讨会上，Zeng做了一个关于理海项目的演讲（IWN 2016），题目为“Wear of Nitride Materials and Properties of GaN-based structures”。Zeng是会上七个陈述者之一而且是唯一一个讨论GaN等第III族氮化物材料的磨损性能的。

研究GaN十多年的Tansu和摩擦学专家Krick，当他们几年前在理海教师会议讨论他们的研究项目时就已经对GaN的磨损性能充满了好奇。“Nelson 曾经问我是否已经有人研究了GaN的摩擦和磨损性能，” Krick说，“我说我不知道。后来我们调查了一下并发现了一个广阔的领域。”

Tansu说：“我们研究小组发现GaN的硬度和耐磨性能都会对电子和数码产品行业产生巨大的影响。在一个设备如智能手机，电子元件被安置在玻璃或蓝宝石的保护涂层下，这就提出了兼容性的问题，而使用GaN可以避免潜在的兼容性问题。 GaN的耐磨性给我们提供了一种方法，运用具有优良的光学、电学性能和耐磨性的单层材料可以替代一个典型的多层半导体器件。使用GaN，您可以在没有多层技术的平台上建立一个完整的设备，以及可以集成电子、光传感器和光发射器，这将为设计设备提供一个新的范例。又因为GaN可以做得很薄且高强度，这也将加速柔性电子产品的开发。”

“GaN除了令人意外的良好耐磨性能外，也有良好的耐辐射性，这是太阳能电池驱动空间飞行器的一个重要属性。在外太空中，这些太阳能电池将遇到大量的连同X射线和γ射线的宇宙尘埃，因此需要一个耐磨涂层，同时又需要与电池的电子电路兼容。在不考虑与电路的兼容性问题情况下，GaN可以提供必要的硬度。” Zeng说。

为了更好的理解GaN和水接触时的相互作用，理海团队已开始与普林斯顿大学化学与生物工程教授，表面化学专家Bruce E. Koel合作。Koel原是理海大学毕业，并且是化学教授兼副校长。

为了确定GaN的磨损演变，该研究团队通过改变滑动测试时的滑动距离和相应的周期数来给GaN施加压力。摩擦机在样品表面产生划痕，而磨损颗粒在划痕两侧沉积。然后利用X射线光电子能谱（XPS）扫描未磨损的GaN表面，识别该表面的元素组成。

该小组计划下一步使用像差校正透射电子显微镜检查划痕下的原子晶格。同时，他们将模拟晶格应变与水的测试，用以观察变形能量所造成的晶格变化。

Zeng 说：“这是一个非常新颖的实验，当你施加剪切力、拉伸力或压缩力到GaN的表面上时，通过看化学反应，我们就能够看到动态的表面化学结果。”

原文链接：Researchers Surprised at the Unexpected Hardness of Gallium Nitride

文献链接：Ultralow wear of gallium nitride

本文由编辑部杨树提供素材；王飞编译；黄超审核；点我加入材料人编辑部。材料测试，数据分析，上测试谷。