MEMS材料誰為王？ 獨立合金薄膜將取代硅

據外媒報道，約翰·霍普金斯大學（Johns Hopkins University）帶隊研發了新款金屬薄膜，未來該材料或將被用於製造感測器等微機電系統（MEMS）設備，其抗拉強度、耐熱、耐高溫性能比硅強。

硅的耐熱、抗壓性能不足

當今科技日新月異，無論是汽車、物聯網、發動機還是公用設施都離不開微型感測器的支持與推動。然而，問題在於這類感測器通常由硅製成，但硅物理特性上的不足使其未來應用受限。

約翰·霍普金斯大學材料科學家兼機械工程師Kevin J. Hemker攜團隊已在新材料研發方面取得成功，該材料有助於確保這類感測器（即人們熟知的「微機電系統」MEMS）能繼續滿足未來技術前沿的要求。

該校威汀工程學院（Whiting School of Engineering）機械工程學（Mechanical Engineering）的Hemker表示：「多年前，我們就開始嘗試採用更為複雜的複合材料製造MEMS設備。」

大多數微機電設備（MEMS）內部結構複雜，其尺寸比人類髮絲的寬度還要小，主要成分為硅。在常溫下，該類設備運作良好，但在適度受熱（加熱幾百攝氏度）後，該材料將導致其喪失強度及電子訊號的傳導能力。此外，硅較脆，易破碎。

儘管如此，硅一度是微機電系統技術的核心材料，其產品歷經數代而不衰。然而，如今該材料卻並未製造商們的理想選擇，未來這類MEMS設備將被用於物聯網技術的相關設備中，該類設備對材質的耐高溫、耐高壓的要求很高。顯而易見，硅無法勝任該要求。

研發新款合金薄膜

Hemker表示：「這就要求科研人員研發強度與密度更大，導電、導熱能力更強的先進材料。此外，對形狀維持的要求也較高，其製作及塑形務必要符合微觀標準。據稱，目前尚無符合上述特性的MEMS材料。」

為研發這類新材料，研究人員考慮結合使用含鎳金屬，這是一款常用的先進結構材料（advanced structural materials）。例如，鎳基超合金（Nickel-base superalloys）就被用於製造噴氣式發動機。鑒於外形穩定性的需求，研究人員做了大量實驗，他們將金屬鉬（molybdenum）、鎢（tungsten），力圖提升純鎳受熱膨脹對應的溫度界限值。

約翰·霍普金斯大學的研究團隊採用的試驗設備尺寸較大，與冰箱相近，該團隊採用離子去擊中目標物，將合金氣化並保持原子狀態，使其積聚在表面或基材上，進而產生了一款可剝離的薄膜，最終生成了一款獨立合金薄膜（freestanding films），其平均厚度在29微米，比人類髮絲還小。

這類獨立薄膜擁有超強的特性。該薄膜在進行拉伸試驗時展現了極強的抗拉強度，這意味著形狀保持能力極強，不會變形或破碎，其抗拉強度是高強度鋼的三倍。儘管極少數其他材料也有類似的抗拉強度，但那些材料既不耐高溫，也無法輕易加工成形並製造MEMS部件。

Hemker表示：「我們認為合金將有助於提升其強度及耐熱性（thermal stability），但我們不知道對性能提升的作用會有這麼大。」

由於該合金內部晶體結構的原子排列方式，該材料的強度特別高。該結構強化了材料的強度，且不會對該材料的導電性能產生影響。

Hemker表示：「該結構使合金薄膜的綜合性能極強，平衡了各項了材料特性。該薄膜耐高溫，熱穩定性及機械穩定性極強。該研發團隊正忙於下一階段的研發，涉及薄膜的塑形與MEMS部件製造。研究團體正在為該項獨立合金薄膜申請專利。」

文/李文龍

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