Here, we reveal a remarkable (and surprising) physical property of GaN: it is extremely wear resistant. In fact, we measured the wear rate of GaN is approaching wear rates reported for diamond. Not only does GaN have an ultralow wear rate but also there are quite a few experimental factors that control the magnitude of its wear rate, further contributing to the rich and complex physics of wear of GaN. Here, we discovered several primary controlling factors that will affect the wear rate of III-Nitride materials: crystallographic orientation, sliding environment, and coating composition (GaN, InN and InGaN). Sliding in the 12¯10 is significantly lower wear than 11¯00. Wear increases by 2 orders of magnitude with increasing humidity (from ∼0% to 50% RH). III-Nitride coatings are promising as multifunctional material systems for device design and sliding wear applications.

1.
U. K.
Mishra
,
L.
Shen
,
T. E.
Kazior
, and
Y. F.
Wu
,
Proc. IEEE
96
,
287
(
2008
).
2.
P.
Pust
,
P. J.
Schmidt
, and
W.
Schnick
,
Nat. Mater.
14
,
454
(
2015
).
3.
M. H.
Crawford
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
15
,
1028
(
2009
).
4.
N.
Tansu
,
H. P.
Zhao
,
G. Y.
Liu
,
X. H.
Li
,
J.
Zhang
,
H.
Tong
, and
Y. K.
Ee
,
IEEE Photonics J.
2
,
241
(
2010
).
5.
J. Y.
Tsao
,
M. H.
Crawford
,
M. E.
Coltrin
,
A. J.
Fischer
,
D. D.
Koleske
,
G. S.
Subramania
,
G. T.
Wang
,
J. J.
Wierer
, and
R. F.
Karlicek
, Jr.
,
Adv. Opt. Mater.
2
,
809
(
2014
).
6.
H.
Amano
,
N.
Sawaki
,
I.
Akasaki
, and
Y.
Toyoda
,
Appl. Phys. Lett.
48
,
353
(
1986
).
7.
S.
Nakamura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
30
,
L1705
(
1991
).
8.
I.
Akasaki
,
H.
Amano
,
K.
Itoh
,
N.
Koide
, and
K.
Manabe
,
Inst. Phys. Conf. Ser.
129
,
851
(
1992
).
9.
S.
Nakamura
,
M.
Senoh
, and
T.
Mukai
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
32
,
L8
(
1993
).
10.
O. H.
Nam
,
M. D.
Dremser
,
T. S.
Zheleva
, and
R. F.
Davis
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
2638
(
1997
).
11.
S.
Nakamura
,
M.
Senoh
,
S.
Nagahama
,
N.
Iwasa
,
T.
Yamada
,
T.
Matsushita
,
Y.
Sugimoto
, and
H.
Kiyoku
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
4056
(
1996
).
12.
I.
Akasaki
,
H.
Amano
,
M.
Kito
, and
K.
Hiramatsu
,
J. Lumin.
48–49
,
666
(
1991
).
13.
S.
Nakamura
,
M.
Senoh
, and
T.
Mukai
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
30
,
L1708
(
1991
).
14.
S.
Nakamura
,
T.
Mukai
,
M.
Senoh
, and
N.
Iwasa
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
31
,
L139
(
1992
).
15.
D.
Feezell
,
J. S.
Speck
,
S. P.
DenBaars
, and
S.
Nakamura
,
J. Disp. Technol.
9
,
190
(
2013
).
16.
R. A.
Arif
,
Y. K.
Ee
, and
N.
Tansu
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
091110
(
2007
).
17.
H.
Zhao
,
G.
Liu
,
J.
Zhang
,
J. D.
Poplawsky
,
V.
Dierolf
, and
N.
Tansu
,
Opt. Express
19
,
A991
(
2011
).
18.
T. W.
Yeh
,
Y. T.
Lin
,
L. S.
Stewart
,
P. D.
Dapkus
,
R.
Sarkissian
,
J. D.
O'Brien
,
B.
Ahn
, and
S. R.
Nutt
,
Nano Lett.
12
,
3257
(
2012
).
19.
C. K.
Tan
and
N.
Tansu
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
107
(
2015
).
20.
H. J.
Kim
,
S.
Choi
,
S. S.
Kim
,
J. H.
Ryou
,
P. D.
Yoder
,
R. D.
Dupuis
,
A. M.
Fischer
,
K. W.
Sun
, and
F. A.
Ponce
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
101102
(
2010
).
21.
See http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/ for the Nobel Prize in Physics 2014 for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources.
22.
V. A.
Savastenko
and
A. U.
Sheleg
,
Phys. Status Solidi
48
,
K135
(
1978
).
23.
A.
Polian
,
M.
Grimsditch
, and
I.
Grzegory
,
J. Appl. Phys.
79
,
3343
(
1996
).
24.
R. B.
Schwarz
,
K.
Khachaturyan
, and
E. R.
Weber
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
1122
(
1997
).
25.
C.
Deger
,
E.
Born
,
H.
Angerer
,
O.
Ambacher
,
M.
Stutzmann
,
J.
Hornsteiner
,
E.
Riha
, and
G.
Fischerauer
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
2400
(
1998
).
26.
O.
Ambacher
,
J.
Majewski
,
C.
Miskys
,
A.
Link
,
M.
Hermann
,
M.
Eickhoff
,
M.
Stutzmann
,
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
,
V.
Tilak
,
B.
Schaff
, and
L. F.
Eastman
,
J. Phys. Condens. Matter
14
,
3399
(
2002
).
27.
A. D.
Bykhovski
,
B. L.
Gelmont
, and
M. S.
Shur
,
J. Appl. Phys.
81
,
6332
(
1997
).
28.
U. M. E.
Christmas
,
A. D.
Andreev
, and
D. A.
Faux
,
J. Appl. Phys.
98
,
073522
(
2005
).
29.
C.-Y.
Chen
,
G.
Zhu
,
Y.
Hu
,
J.-W.
Yu
,
J.
Song
,
K.-Y.
Cheng
,
L.-H.
Peng
,
L.-J.
Chou
, and
Z. L.
Wang
,
ACS Nano
6
,
5687
(
2012
).
30.
M.
Minary-Jolandan
,
R. A.
Bernal
,
I.
Kuljanishvili
,
V.
Parpoil
, and
H. D.
Espinosa
,
MRS Commun.
1
,
45
(
2011
).
31.
Z.
Yang
,
R. N.
Wang
,
S.
Jia
,
D.
Wang
,
B. S.
Zhang
,
K. M.
Lau
, and
K. J.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
041913
(
2006
).
32.
C. H.
Tsai
,
S. R.
Jian
, and
J. Y.
Juang
,
Appl. Surf. Sci.
254
,
1997
(
2008
).
33.
R.
Nowak
,
M.
Pessa
,
M.
Suganuma
,
M.
Leszczynski
,
I.
Grzegory
,
S.
Porowski
, and
F.
Yoshida
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2070
(
1999
).
34.
M. D.
Drory
,
J. W.
Ager
,
T.
Suski
,
I.
Grzegory
, and
S.
Porowski
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
4044
(
1996
).
35.
S. O.
Kucheyev
,
J. E.
Bradby
,
J. S.
Williams
,
C.
Jagadish
,
M.
Toth
,
M. R.
Phillips
, and
M. V.
Swain
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3373
(
2000
).
36.
J. M.
Wheeler
,
C.
Niederberger
,
C.
Tessarek
,
S.
Christiansen
, and
J.
Michler
,
Int. J. Plast.
40
,
140
(
2013
).
37.
R. A.
Bernal
,
R.
Agrawal
,
B.
Peng
,
K. A.
Bertness
,
N. A.
Sanford
,
A. V.
Davydov
, and
H. D.
Espinosa
,
Nano Lett.
11
,
548
(
2011
).
38.
J. Y.
Huang
,
H.
Zheng
,
S. X.
Mao
,
Q.
Li
, and
G. T.
Wang
,
Nano Lett.
11
,
1618
(
2011
).
39.
H.
Aida
,
T.
Doi
,
H.
Takeda
,
H.
Katakura
,
S. W.
Kim
,
K.
Koyama
,
T.
Yamazaki
, and
M.
Uneda
,
Curr. Appl. Phys.
12
,
S41
(
2012
).
40.
M. H.
Lin
,
H. C.
Wen
,
Y. R.
Jeng
, and
C. P.
Chou
,
Nanoscale Res. Lett.
5
,
1812
(
2010
).
41.
Y.
Liu
,
A.
Erdemir
, and
E. I.
Meletis
,
Surf. Coat. Technol.
82
,
48
(
1996
).
42.
A. G.
Khurshudov
,
K.
Kato
, and
H.
Koide
,
Wear
203–204
,
22
(
1997
).
43.
F. P.
Bowden
,
C. A.
Brookes
, and
A. E.
Hanwell
,
Nature
203
,
27
(
1964
).
44.
45.
R. P.
Steijn
,
J. Appl. Phys.
32
,
1951
(
1961
).
46.
E. J.
Duwell
,
J. Appl. Phys.
33
,
2691
(
1962
).
47.
E. W.
Taylor
and
M.
Cooke
,
Mineral. Mag.
28
,
718
(
1949
).
48.
Q.
Guo
and
A.
Yoshida
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
33
,
90
(
1994
).
49.
F.
Gao
,
J.
He
,
E.
Wu
,
S.
Liu
,
D.
Yu
,
D.
Li
,
S.
Zhang
, and
Y.
Tian
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
015502
(
2003
).
50.
J. H.
Edgar
,
C. H.
Wei
,
D. T.
Smith
,
T. J.
Kistenmacher
, and
W. A.
Bryden
,
J. Mater. Sci. Mater. Electron.
8
,
307
(
1997
).
51.
Y. K.
Ee
,
J. M.
Biser
,
W.
Cao
,
H. M.
Chan
,
R. P.
Vinci
, and
N.
Tansu
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
15
,
1066
(
2009
).
52.
M.
Jamil
,
H.
Zhao
,
J. B.
Higgins
, and
N.
Tansu
,
Phys. Status Solidi
205
,
2886
(
2008
).
53.
M.
Jamil
,
H.
Zhao
,
J. B.
Higgins
, and
N.
Tansu
,
J. Cryst. Growth
310
,
4947
(
2008
).
54.
B. A.
Krick
,
J. R.
Vail
,
B. N. J.
Persson
, and
W. G.
Sawyer
,
Tribol. Lett.
45
,
185
(
2012
).
55.
G. M.
Erickson
,
M. A.
Sidebottom
,
J. F.
Curry
,
D.
Ian Kay
,
S.
Kuhn-Hendricks
,
M. A.
Norell
,
W.
Gregory Sawyer
, and
B. A.
Krick
,
Surf. Topogr.: Metrol. Prop.
4
,
024001
(
2016
).
You do not currently have access to this content.