High Electrical Conductivity and High Hardness in Cubic Silicon Carbide Single Crystals

材料科学 电阻率和电导率 纳米压痕 兴奋剂 碳化硅 半导体 复合材料 碳化物 电导率 宽禁带半导体 弹性模量 压痕硬度 模数 冶金 氮化物
作者
Yunfan Yang,Zhaolong Liu,Guobin Wang,Da Sheng,Yehua Huang,Hui Li,Chen Xu,Xu Chen,Huiyang Gou,Wenjun Wang,Zesheng Zhang,Junwei Yang,Xiaolong Chen,Xiaolong Chen
出处
期刊:Crystal Growth & Design [American Chemical Society]
卷期号:26 (1): 678-685
标识
DOI:10.1021/acs.cgd.5c01665
摘要

The intrinsic trade-off between electrical conductivity and hardness has been a longstanding obstacle in simultaneously enhancing both properties in materials. Here, we report a strategy to overcome this dilemma by utilizing the striking disparity effects of heavy doping on electrical and mechanical properties. A high room-temperature electrical conductivity of 3.03 × 105 S/m is achieved alongside a high nanoindentation hardness of 39.9 ± 1.9 GPa and an elastic modulus of 525.9 ± 13.0 GPa in cubic silicon carbide (3C-SiC) single crystals with a N-doping level of ∼0.5 at %. The unprecedented combination of these two properties in compound semiconductors confirms the disparity effects of N doping, as manifested by a significant increase in electrical conductivity due to a large nitrogen solubility (∼0.5 at %), while there is a negligible impact (∼1% decrease) on hardness upon N doping. This strategy may find applications in other covalent compounds or semiconductors for acquiring both electrical and mechanical properties.
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