美國理海大學(Lehigh University)的研究人員在《應用物理快報》(Applied Physics Letters)期刊中發表最新發現,他們在「超低磨損的氮化鎵」(Ultralow wear of gallium nitride)一文中指出,氮化鎵(GaN)具有一種以往不為人知的特性——其抗磨力接近於鑽石,這一特性將有助於開啟在觸控螢幕、太空載具以及射頻(RF) MEMS等要求高速、高振動技術的新應用。

該研究論文的主要作者Guosong Zeng說,有關氮化鎵的電子與光學特性已經廣泛研究幾十年了,但幾乎沒有任何研究針對其摩擦力——即其因來回滑動造成機械磨損的抵抗力。

「我們的研究團隊率先針對GaN的磨損性能進行研究,」Guosong Zeng說:「我們發現其抗磨硬度接近於鑽石——這是目前已知硬度最高的物質。」

磨損率以牛頓米(Nm)的負立方毫米表示。白堊(粉筆)約為10^-2mm^3/Nm,幾乎一點都不耐磨,而鑽石的磨損率為10^-9與10^-10之間,較粉筆的磨損率更高80倍。GaN的磨損率則大約在10^-7與10^-9之間,接近於鑽石的磨損率,並且較矽(10^-4)具有更高3至5個數量級的抗磨損能力。

為了進行滑動磨損試驗,理海大學研究人員利用客製的微磨擦磨損測試機測量GaN的磨損率和摩擦係數。

研究人員說,抗磨的範圍是由幾個因素造成的,包括環境、結晶方向以及濕度。

「我們第一次觀察到GaN的超低損耗率是在冬天,」Zeng說「而這些結果到了夏天卻無法同樣複製,當時材料的磨損率增加了兩個數量級。」

為了確定夏季更高的濕度如何影響GaN的磨擦性能,研究人員將摩擦計放在能回填氮氣或潮濕空氣的手套箱中。

「我們觀察到,隨著手套箱內的濕度增加,GaN的磨損率也提高了,」Zeng說。

該研究的另一名作者Tansu表示,研究團隊發現GaN的硬度與磨損性能可能對於電子與數位元件產業帶來重大影響。他以智慧型手機為例表示,電子元件採用玻璃或藍寶石的保護塗層,這可能帶來潛在的相容性問題,而如果使用GaN則可避免這個問題。

「GaN所具有的抗磨力,」Tansu說,「讓我們有機會能以一層具有光學與電子特性以及耐磨的材料,取代一般半導體元件中所使用的多層材料。」

「採用GaN,就能以無需多層技術的平台,打造一款完整的元件。你可以整合電子、光感測器以及光發射器,同時仍然保有元件的機械穩定度。這將為元件設計啟新的典範。而且,因為GaN可做得極其輕薄而仍然十分堅固,將有助於加速邁向軟性電子之路。」

除了具備優異的耐磨損性能,Zeng指出,GaN還具有良好的輻射硬度;對於為太空載具供電的太陽能電池來說,這正是一項重要的特性。在外太空,這些太陽能電池遭遇到大量極其細小的宇宙灰塵,以及x射線和Y射線(伽瑪射線),因而需要耐磨損的塗層,而這又必須與電池的電路相容。GaN提供必要的硬度,而不至於引發與電路的相容性問題。

目前,理海大學的研究團隊開始與普林斯頓大學(Princeton University)化學與生物工程教授暨表面化學專家Bruce E. Koel共同探索,以便更能瞭解GaN與水接觸的相互作用。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Gallium nitride almost as wear-resistant as diamond,by Jean-Pierre Joosting)