目前，氮化鎵（GaN）已成為最重要、最廣泛應用的半導體材料之一。其光電性能和機械性能使其成為多種應用的理想選擇，包括發(fā)光二極管（LED）、高溫晶體管、傳感器以及與人體生物相容的電子植入物。
三名日本科學家由于發(fā)現(xiàn)GaN在產(chǎn)生藍光LED燈中的重要作用而獲得了2014年的諾貝爾物理學獎。結合紅光和綠光產(chǎn)生白光LED光源，藍光是必不可少的。
最近，四名理海大學的工程師報道了一個GaN前所未知的屬性：其耐磨性接近鉆石，而且為觸摸屏、空間飛行器和射頻微機電系統(tǒng)（RF MEMS）這些需要高速、高振動技術的應用開辟了新市場。
八月份，該研究團隊將他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了Applied Physics Letters（APL）上，題目為“Ultralow wear of gallium nitride”。文章的作者是機械工程博士生曾國松（Guosong Zeng），Nelson Tansu, Daniel E.’39，光子學與電子學的中心主任（CPN）、電氣與計算機工程系的客座教授Patricia M. Smith，機械工程與力學系助理教授Brandon A. Krick，以及克拉克森大學電子與計算機工程系的助理教授Chee-Keong Tan’16博士。
機械工程博士生曾國松（Guosong Zeng）
該文章的第一作者Zeng表示：“GaN的電子和光學性質近幾十年來已被廣泛研究，但實際上在其摩擦學性能，即其所施加的往復滑動的機械耐磨性方面幾乎沒有研究。我們小組是第一次研究GaN的耐磨性能，并發(fā)現(xiàn)其磨損率接近已知的最硬的材料鉆石。”
磨損率表示為mm3/Nm。實際上粉筆的磨損率大約102 mm3/Nm，幾乎沒有耐磨性，而鉆石的磨損率在10-9與10-10之間，比粉筆的磨損率高出八個數(shù)量級。GaN的磨損率在10-7-10-9之間，比鉆石高三到五個數(shù)量級，比硅（10-4）的耐磨性更高。
理海大學的研究人員使用定制的微型摩擦針進行干滑動磨損試驗，測量了GaN的摩擦系數(shù)和磨損率，而結果使他們感到驚訝。他們在論文中寫道，當對未知材料進行磨損測量時，我們通常滑動1000個周期，然后測量磨痕。為了達到能被光學表面光度儀測量，實驗已經(jīng)被提高到30,000個周期。 在磨損率（約兩個數(shù)量級）的大范圍內，可以深入了解GaN的磨損機制。而磨損率的范圍，是由幾個因素影響的，包括環(huán)境因素和晶體方向，尤其是濕度的影響。
“我們第一次觀察到GaN的超低磨損率是在冬天，而在夏天，材料的磨損率增加了兩個數(shù)量級，結果不能重復。”Zeng說。為了研究夏季的高濕度是如何影響GaN的磨損性能的，研究人員把他們的摩擦計放在一個可以用氮氣或潮濕空氣回填的手套箱中。“我們觀察到，當我們增加手套箱內的濕度， GaN的磨損率也隨之增加。”Zeng說。
十月份，在佛羅里達州的奧蘭多氮化物半導體國際研討會上，Zeng做了一個關于理海項目的演講（IWN 2016），題目為“Wear of Nitride Materials and Properties of GaN-based structures”。Zeng是會上七個陳述者之一而且是唯一一個討論GaN等第III族氮化物材料的磨損性能的。
研究GaN十多年的Tansu和摩擦學專家Krick，當他們幾年前在理海教師會議討論他們的研究項目時就已經(jīng)對GaN的磨損性能充滿了好奇。“Nelson 曾經(jīng)問我是否已經(jīng)有人研究了GaN的摩擦和磨損性能，” Krick說，“我說我不知道。后來我們調查了一下并發(fā)現(xiàn)了一個廣闊的領域。”
Tansu說：“我們研究小組發(fā)現(xiàn)GaN的硬度和耐磨性能都會對電子和數(shù)碼產(chǎn)品行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。在一個設備如智能手機，電子元件被安置在玻璃或藍寶石的保護涂層下，這就提出了兼容性的問題，而使用GaN可以避免潛在的兼容性問題。 GaN的耐磨性給我們提供了一種方法，運用具有優(yōu)良的光學、電學性能和耐磨性的單層材料可以替代一個典型的多層半導體器件。使用GaN，您可以在沒有多層技術的平臺上建立一個完整的設備，以及可以集成電子、光傳感器和光發(fā)射器，這將為設計設備提供一個新的范例。又因為GaN可以做得很薄且高強度，這也將加速柔性電子產(chǎn)品的開發(fā)。”
“GaN除了令人意外的良好耐磨性能外，也有良好的耐輻射性，這是太陽能電池驅動空間飛行器的一個重要屬性。在外太空中，這些太陽能電池將遇到大量的連同X射線和γ射線的宇宙塵埃，因此需要一個耐磨涂層，同時又需要與電池的電子電路兼容。在不考慮與電路的兼容性問題情況下，GaN可以提供必要的硬度。” Zeng說。
為了更好的理解GaN和水接觸時的相互作用，理海團隊已開始與普林斯頓大學化學與生物工程教授，表面化學專家Bruce E. Koel合作。Koel原是理海大學畢業(yè)，并且是化學教授兼副校長。
為了確定GaN的磨損演變，該研究團隊通過改變滑動測試時的滑動距離和相應的周期數(shù)來給GaN施加壓力。摩擦機在樣品表面產(chǎn)生劃痕，而磨損顆粒在劃痕兩側沉積。然后利用X射線光電子能譜（XPS）掃描未磨損的GaN表面，識別該表面的元素組成。
該小組計劃下一步使用像差校正透射電子顯微鏡檢查劃痕下的原子晶格。同時，他們將模擬晶格應變與水的測試，用以觀察變形能量所造成的晶格變化。
Zeng說：“這是一個非常新穎的實驗，當你施加剪切力、拉伸力或壓縮力到GaN的表面上時，通過看化學反應，我們就能夠看到動態(tài)的表面化學結果。
