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MEMS材料誰為王？ 獨(dú)立合金薄膜將取代硅  硅的耐熱、抗壓性能不足 當(dāng)今科技日新月異，無論是汽車、物聯(lián)網(wǎng)、發(fā)動機(jī)還是公用設(shè)施都離不開微型傳感器的支持與推動。然而，問題在于這類傳感器通常由硅制成，但硅物理特性上的不足使其未來應(yīng)用受限。 約翰·霍普金斯大學(xué)材料科學(xué)家兼機(jī)械工程師Kevin J. Hemker攜團(tuán)隊(duì)已在新材料研發(fā)方面取得成功，該材料有助于確保這類傳感器（即人們熟知的“微機(jī)電系統(tǒng)”MEMS）能繼續(xù)滿足未來技術(shù)前沿的要求。 該校威汀工程學(xué)院（Whiting School of Engineering）機(jī)械工程學(xué)（Mechanical Engineering）的Hemker表示：“多年前，我們就開始嘗試采用更為復(fù)雜的復(fù)合材料制造MEMS設(shè)備。” 大多數(shù)微機(jī)電設(shè)備（MEMS）內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其尺寸比人類發(fā)絲的寬度還要小，主要成分為硅。在常溫下，該類設(shè)備運(yùn)作良好，但在適度受熱（加熱幾百攝氏度）后，該材料將導(dǎo)致其喪失強(qiáng)度及電子訊號的傳導(dǎo)能力。此外，硅較脆，易破碎。 盡管如此，硅一度是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的核心材料，其產(chǎn)品歷經(jīng)數(shù)代而不衰。然而，如今該材料卻并未制造商們的理想選擇，未來這類MEMS設(shè)備將被用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)設(shè)備中，該類設(shè)備對材質(zhì)的耐高溫、耐高壓的要求很高。顯而易見，硅無法勝任該要求。 研發(fā)新款合金薄膜 Hemker表示：“這就要求科研人員研發(fā)強(qiáng)度與密度更大，導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力更強(qiáng)的先進(jìn)材料。此外，對形狀維持的要求也較高，其制作及塑形務(wù)必要符合微觀標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)稱，目前尚無符合上述特性的MEMS材料。” 為研發(fā)這類新材料，研究人員考慮結(jié)合使用含鎳金屬，這是一款常用的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料（advanced structural materials）。例如，鎳基超合金（Nickel-base superalloys）就被用于制造噴氣式發(fā)動機(jī)。鑒于外形穩(wěn)定性的需求，研究人員做了大量實(shí)驗(yàn)，他們將金屬鉬（molybdenum）、鎢（tungsten），力圖提升純鎳受熱膨脹對應(yīng)的溫度界限值。 約翰·霍普金斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用的試驗(yàn)設(shè)備尺寸較大，與冰箱相近，該團(tuán)隊(duì)采用離子去擊中目標(biāo)物，將合金氣化并保持原子狀態(tài)，使其積聚在表面或基材上，進(jìn)而產(chǎn)生了一款可剝離的薄膜，最終生成了一款獨(dú)立合金薄膜（freestanding films），其平均厚度在29微米，比人類發(fā)絲還小。 這類獨(dú)立薄膜擁有超強(qiáng)的特性。該薄膜在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時展現(xiàn)了極強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，這意味著形狀保持能力極強(qiáng)，不會變形或破碎，其抗拉強(qiáng)度是高強(qiáng)度鋼的三倍。盡管極少數(shù)其他材料也有類似的抗拉強(qiáng)度，但那些材料既不耐高溫，也無法輕易加工成形并制造MEMS部件。 Hemker表示：“我們認(rèn)為合金將有助于提升其強(qiáng)度及耐熱性（thermal stability），但我們不知道對性能提升的作用會有這么大。” 由于該合金內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的原子排列方式，該材料的強(qiáng)度特別高。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了材料的強(qiáng)度，且不會對該材料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響。 Hemker表示：“該結(jié)構(gòu)使合金薄膜的綜合性能極強(qiáng)，平衡了各項(xiàng)了材料特性。該薄膜耐高溫，熱穩(wěn)定性及機(jī)械穩(wěn)定性極強(qiáng)。該研發(fā)團(tuán)隊(duì)正忙于下一階段的研發(fā)，涉及薄膜的塑形與MEMS部件制造。研究團(tuán)體正在為該項(xiàng)獨(dú)立合金薄膜申請專利。” |
