Carburo de silicio amorfo

A diferencia de sus homólogos cristalinos, que presentan una disposición ordenada de los átomos, la estructura reticular del a-SiC se organiza de forma aleatoria; sin embargo, esta aleatoriedad confiere a este material una notable resistencia.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft acaban de desentrañar las propiedades mecánicas de un nuevo material innovador con una precisión sin precedentes, lo que abre la puerta a posibles usos futuros de este material increíblemente resistente y flexible a la vez.

Propiedades físicas

El carburo de silicio es un material semiconductor de banda ancha que se encuentra tanto en forma cristalina como amorfa. Las formas amorfas han ganado atención por sus propiedades mecánicas únicas, inercia química, dureza e inercia química que los hacen adecuados para aplicaciones tales como revestimientos protectores en entornos de trabajo difíciles, así como sensores nanomecánicos.

Para conseguir las propiedades físicas y químicas deseadas de una lámina delgada de a-SiC, puede ser necesario seguir varios pasos de optimización. Esto es especialmente importante a la hora de fabricar revestimientos protectores con este material, ya que la película debe permanecer estable tras su fabricación.

Esto puede ser un reto difícil, y se han explorado diferentes enfoques para mejorar las propiedades del a-SiC. Un factor clave es su estructura cristalina, que está controlada por las condiciones de deposición: por ejemplo, la temperatura y la potencia de radiofrecuencia durante la deposición influyen en su configuración atómica, que influye directamente en las propiedades ópticas y eléctricas, al igual que la incorporación de hidrógeno durante el propio proceso de deposición.

La disposición atómica del A-SiC suele caracterizarse por el desorden estructural, a menudo debido a la distorsión angular de la configuración de bandas o a la degradación por formación de enlaces Si-Si y C-Si o incluso enlaces colgantes; estos defectos pueden minimizarse mediante unas condiciones de sputtering adecuadas, un paso esencial cuando se trabaja con aplicaciones que requieren estructuras químicas estables.

A primera vista, los átomos del a-SiC están cuádruplemente coordinados; en el SiC cristalino, este patrón permanece constante a lo largo de grandes distancias. Pero en el SiC amorfo esta estructura cambia, con algunos átomos que no están completamente cuádruplemente coordinados formando una red aleatoria irregular y algunos que no se unen a sus otros tres homólogos (lo que se conoce como "enlaces colgantes"). El hidrógeno puede ayudar a pasivar estos enlaces y mejorar notablemente las propiedades de este material.

Propiedades químicas

El carburo de silicio, cuya fórmula química es SiC, presenta una gran variedad de configuraciones atómicas y es un semiconductor excepcional con una brecha energética de entre 3eV y 5eV.

El carburo de silicio puede doparse como n con nitrógeno o fósforo y como p con boro, aluminio o galio para conseguir distintos efectos. El carburo de silicio también ha demostrado ser un excelente conductor eléctrico, y el dopaje metálico aumenta aún más su conductividad. Debido a su elevado punto de fusión, es un excelente candidato para la producción de cerámicas y materiales refractarios; la moissanita se encuentra de forma natural en rocas de meteoritos, así como en depósitos de corindón y kimberlita; sin embargo, hoy en día la mayor parte del carburo de silicio que se vende en todo el mundo es sintético.

Al igual que su homólogo cristalino, el carburo de silicio amorfo presenta unas propiedades mecánicas excepcionales en términos de resistencia a la fractura y a la compresión, con un módulo de Young igual al de su homólogo.

Estas propiedades hacen del carburo de silicio amorfo un material excelente para aplicaciones de interfaz neural que impliquen el implante crónico de matrices de microelectrodos, en las que sus dimensiones transversales deben permanecer estables durante el uso crónico. El grosor del implante debe ser lo suficientemente fino como para minimizar las respuestas inflamatorias y, al mismo tiempo, mantener estable la dimensión transversal, ya que los implantes más finos están más cerca de alcanzar su umbral de deformación; en estos casos, los módulos de Young más elevados proporcionan una resistencia adicional, lo que reduce las posibilidades de que el conjunto se vuelva inestable tras un uso crónico. En estos casos, el carburo de silicio amorfo ofrece una gran alternativa a materiales más rígidos como el titanio, ya que su mayor módulo de Young reduce las posibilidades de inestabilidad de la matriz durante el uso crónico en comparación con sus homólogos de materiales más rígidos como el titanio en este tipo de aplicaciones, lo que supone otra ventaja de resistencia frente a materiales más rígidos como el titanio, ya que reduce las posibilidades de inestabilidad crónica durante la colocación a largo plazo en comparación con los materiales más rígidos como el titanio, ya que su mayor módulo de Young reduce el riesgo en este tipo de aplicaciones, reduciendo el riesgo de inestabilidad durante periodos de implantación prolongados, lo que supone un ahorro considerable frente a sus homólogos.

Investigadores de la Universidad de Manchester examinaron la resistencia a la tracción del carburo de silicio amorfo con el fin de optimizarlo para aplicaciones de interfaz neuronal, creando un método innovador para probar su resistencia. En lugar de recurrir a métodos tradicionales que podrían introducir imprecisiones debido a los métodos de anclaje para probar materiales como este en superficies de prueba, crearon una solución innovadora a microescala de microchip haciendo crecer nanoanillos de este material en él y suspendiéndolos para determinar la resistencia máxima a la tracción.

El equipo de investigadores pudo obtener resultados muy próximos al valor teórico de la resistencia a la tracción de este material inspeccionando cuidadosamente su estructura y la geometría de los nanostrings. Confirmaron que su método de suspensión era compatible con su inercia química; las socavaciones por grabado en seco alteraban mínimamente la suspensión, por lo que también fue posible medir la fuerza necesaria para romper una nanoespira.

Propiedades mecánicas

El estado amorfo del carburo de silicio le confiere una resistencia última a la tracción y unas propiedades elásticas extraordinariamente elevadas, así como resistencia a la fatiga, el agrietamiento y la deformación, cualidades que lo convierten en un material excelente para aplicaciones que exigen integridad estructural y durabilidad, como los dispositivos MEMS o los componentes aeroespaciales.

Las propiedades mecánicas del carburo de silicio amorfo se han evaluado mediante técnicas de nanoindentación y abombamiento, junto con la medición del módulo de Young y la relación de Poisson. La hidrogenación durante la deposición ha demostrado tener un efecto inmenso en estas propiedades; en particular para el polimorfo alfa (a-SiC) con estructura cristalina de Wurtzita; en comparación, el polimorfo beta (a-SiC:H) con estructura cristalina de zinc blenda ha demostrado ser más estable, aunque no adecuado para uso industrial debido a su baja dureza.

El carburo de silicio se empleó por primera vez en la electrónica de semiconductores como diodos emisores de luz y detectores para las primeras radios en 1907. Desde entonces, su resistencia a altas temperaturas y tensiones lo ha convertido en un componente clave de numerosos productos electrónicos y su uso abarca desde escudos térmicos de naves espaciales hasta joyas y aislantes.

En los últimos años, el carburo de silicio amorfo (a-SiC) ha ido ganando popularidad como tecnología facilitadora de la microelectrónica avanzada. La naturaleza amorfa única del material permite a los diseñadores experimentar con nuevos enfoques de diseño, lo que se traduce en un mayor rendimiento a un coste menor que con los materiales cristalinos.

A pesar de este gran interés, el a-SiC sigue encontrando una gran resistencia en la industria. Pero su escalabilidad ofrece esperanzas, ya que la producción puede llevarse a cabo eficientemente en grandes volúmenes con costes mínimos.

Las propiedades únicas del a-SiC han brindado la oportunidad de innovar en diversas aplicaciones, desde revestimientos protectores hasta catalizadores de alta temperatura y pilas de combustible. Además, su naturaleza amorfa ha permitido a los investigadores idear nuevas técnicas para fabricar resonadores con patrones, ideales para aplicaciones de detección, como la monitorización de galgas extensométricas.

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio amorfo (ASC) es un atractivo semiconductor con una amplia banda de separación y una alta conductividad térmica, lo que lo hace adecuado para aplicaciones optoelectrónicas y microelectrónicas debido a su baja pérdida de energía. El ASC puede doparse con dopantes de nitrógeno, fósforo y aluminio para su funcionamiento como dopante de tipo n o p, con una conductividad metálica que se consigue mediante un fuerte dopaje de dopantes de boro o galio. Además, su elevada intensidad de campo eléctrico de ruptura hace que el ASC sea ideal para aplicaciones como supercondensadores y MOSFET.

Las películas delgadas de carburo de silicio han encontrado aplicaciones en todo tipo de aplicaciones de ingeniería, desde dispositivos y sensores electrónicos de banda prohibida ancha, sensores MEMS, células solares fotovoltaicas y diodos emisores de luz hasta diodos emisores de luz y películas de máscara dura. Las películas de carburo de silicio han suscitado especial interés por su capacidad para producirse mediante distintas técnicas de fabricación con el fin de satisfacer las propiedades especializadas necesarias para usos concretos. Los materiales amorfos de carburo de silicio a nanoescala siguen siendo poco conocidos. Por ello, los autores de este estudio desarrollaron una técnica innovadora para caracterizar materiales a nanoescala.

Los investigadores utilizaron una técnica de sonda de bombeo de femtosegundos con láseres que pueden sintonizarse a diferentes longitudes de onda para analizar películas finas de carburo de silicio amorfo a escala nanométrica mediante mediciones de sonda de bombeo de femtosegundos con láseres sintonizados a longitudes de onda específicas, con láseres capaces de sintonizarse a múltiples longitudes de onda para una caracterización química y física precisa de sus átomos constituyentes y disposiciones moleculares, midiendo las composiciones superficiales, examinando las disposiciones constituyentes y refinando aún más este análisis mediante mediciones Raman y XPS; los resultados revelaron dos fases distintas; una fase que contenía carbono y otra que contenía silicio.

Los investigadores también midieron las propiedades eléctricas de las películas de a-SiC. Descubrieron que, en general, sus propiedades eléctricas eran óhmicas a campos eléctricos bajos, pero que no lo eran a campos eléctricos altos. Basándose en esta observación, se puede suponer que cuando se exponen a campos eléctricos más altos, las películas experimentan una transición de fase que conduce a un aumento de los enlaces Si-Si y Si-C, así como a una disminución de la densidad atómica global.

Comprender este fenómeno es importante, porque podría permitir el desarrollo de materiales amorfos de carburo de silicio con conductividad y fiabilidad mejoradas para interfaces neuronales. Las interfaces neuronales requieren matrices de electrodos con baja resistencia y umbrales de pandeo para soportar un implante crónico, algo difícil de conseguir con materiales amorfos más finos y susceptibles a daños tisulares y fallos biomecánicos.