美科學家開發新型超級合金薄膜，有望應用於下一代MEMS

「這麼多年來，我們一直在努力使MEMS擺脫更複雜的材料，」這些材料更能抵抗損壞，更好地發揮熱能和電力。」約翰·霍普金斯大學機械工程學院的院長Hemker表示。Hemker領導的團隊成員包括博士生、研究科學家、博士後以及機械學院的教師等。他們的相關研究成果發表在最新一期的Science子刊Science Advances上。("Nanotwinned metal MEMS films with unprecedented strength and stability").

沉積膜的橫截面微觀結構TEM圖( AAAS)

大多數MEMS器件的內部結構比人的頭髮絲寬度還小，並且往往由硅製成。這些設備在常規溫度下工作良好，但在受到較高熱量時會導致其失去強度和傳輸電子信號的能力。此外，硅的性質還比較脆弱，很容易發生斷裂。

基於這些原因，儘管硅晶元已經成為幾代MEMS技術的核心，但這種材料並不是最理想的，特別是在未來MEMS器件應用在物聯網上時，將不得不面臨更惡劣的工作環境，例如工作在高熱量和高物理應力情況下。

「而這些應用需要開發具有更大強度、密度、導電性以及導熱性的先進材料，可以保持它們的形狀，並且可以在微觀尺度上進行加工和成型。」作者在論文中表示，「目前還尚未發現集成有這一系列性能的MEMS材料。」

對新材料的研究使得研究人員開始關注先進結構材料中常用的含鎳合金，例如噴氣發動機中就使用了鎳基超級合金。考慮到尺寸穩定性的需要，研究人員試圖在合金中加入金屬鉬和鎢，來限制鎳在受熱時膨脹的程度。

在約翰·霍普金斯大學實驗室一個冰箱大小的設備中，該團隊利用離子轟擊這種材料，將合金蒸發成原子，然後將其沉積在一個表面或者基體上。這種方法可以製備出可以剝離的獨立薄膜，其平均厚度僅有29微米，比人頭髮絲還細。

這些獨立的合金膜擁有非凡的性能。當被拉伸時，它們顯示出很高的拉伸強度—這意味著維持現有形狀而不變形或斷裂的能力是高強度鋼的三倍。雖然目前有少數材料具有相似的強度，但是它們要麼無法在高溫下保持這種性質，要麼很難被加工成為MEMS部件。

「我們知道合金化可以幫助我們實現高強度和熱穩定性。」Hemker表示：「但是我們並不知道這性質會這麼棒。」

他還表示，材料強度的顯著提升是由於合金內部晶體結構的原子尺度圖案化。這種結構增強了材料強度，同時也沒有對材料的導電能力產生阻礙。

Hemker表示：「這種結構賦予了我們的合金薄膜一個完美的性質組合」這些薄膜不僅可以承受高溫，並且同時具有熱穩定性和機械穩定性。目前團隊成員正在忙著計劃下一階段的研究，包括將這種薄膜加工成MEMS組件。Hemker表示，他們團隊已經提交了這種合金薄膜的專利申請。

來源： Johns Hopkins University

文獻鏈接：http://sci-hub.io/10.1126/sciadv.1700685

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