Synteettinen piikarbidi

Piikarbidi, yleisemmin korundi, on kova materiaali, jota käytetään laajalti teknisissä sovelluksissa. Ylivoimaisen lujuutensa, kestävyytensä, kemiallisen inerttiytensä ja lämmönkestävyytensä ansiosta se on erinomainen materiaalivalinta vaativiin ympäristöihin ja suuritehoisiin moottoreihin.

SiC:n syntetisoimiseksi on kehitetty useita menetelmiä, kuten Acheson-menetelmä, Lely-prosessi ja kemiallinen kaasufaasipinnoitus.

Kemiallinen höyrystys

Piikarbidin CVD on korvaamaton valmistusprosessi, jota käytetään puolijohteissa, katalyysissä ja energian varastointisovelluksissa. Tässä laskeutusmenetelmässä hyödynnetään höyryvaihetta valvotuissa kemiallisissa reaktioissa ohuiden kalvojen laskeuttamiseksi substraateille jopa 1400 celsiusasteen lämpötiloissa tai plasmamuodossa alhaisemmissa lämpötiloissa, jolloin laskeutumisnopeus on edelleen korkea.

Laskeutuva materiaali voi olla erimuotoista ja -kokoista, ja sen pinta voi olla sileä tai kuvioitu. Kalvon ominaisuuksia voidaan säätää myös muuttamalla sen laskeutumislämpötilaa. Laskeutuksessa käytetään erilaisia valmistekaasuja, kuten silaania (SiH4), disilaania (Si2H6) ja tetrakloorisilaania sekä hiilen esiasteaineita, kuten metaania (CH4), asetonia (C2H6), propaania (C3H8), metaania/tolueenia/tolueenia (C7H8), heksaania (C6H14), metyylikloridia (CH3), hiilitetrakloridia (CCl4) jne. Optimaalisten tulosten saamiseksi PECVD-järjestelmissä, kuten plasmavahvistetuissa kemiallisissa kaasufaasipinnoitusjärjestelmissä (PECVD).

PECVD:ssä kaasua johdetaan matalassa paineessa alle 1,3 kPa:n laskeutumiskammioon, jossa sähköenergiaa käytetään kaasun virtauksen aktivoimiseksi ja elektronien, ionien ja elektronisesti kiihdytettyjen lajien muodostaman hehkupurkausplasman tuottamiseksi, joka hajottaa ja höyrystää reagoivia molekyylejä, ennen kuin se reagoi lämmitetyn substraatin kanssa muodostaen ohutkalvoja.

Talletettu b-SiC voi läpäistä valoa sekä spektrin näkyvällä että infrapuna-aallonpituusalueella. Lisäksi sen sähköisen ominaisvastuksen on oltava vähintään 500 ohm-cm-cm; 1000 ohm-cm-cm olisi vielä parempi. Näiden ominaisuuksien ansiosta irtosynteesillä tuotettu b-SiC erottuu edukseen, sillä se pysyy poikkeuksetta läpinäkymättömänä ja absorboi ja siroaa valoa näillä aallonpituuksilla. Tässä keksinnössä keskitytään kehittämään prosessi synteettisen b-SiC:n tuottamiseksi, joka on erittäin läpinäkyvää ja jolla on toivottuja mekaanisia ominaisuuksia, kuten kovuus. Ennustavia mallinnusmenetelmiä on kehitetty enenevässä määrin, jotka edustavat kuljetusilmiöitä ja kemiaa puhtaista termodynaamisista ja kineettisistä kuvauksista massankuljetusmalleihin.

Terminen hajoaminen

Synteettisen piikarbidin (SiC) valmistuksessa tarvittaviin kemiallisiin reaktioihin liittyy korkeita lämpötiloja, joten niitä on suoritettava varovasti hyvin ilmastoidussa tilassa. Prosessin aikana on myös käytettävä asianmukaisia suojavarusteita, kuten kuumuutta kestäviä käsineitä ja suojalaseja, sekä asianmukaisia huuruhormeja ja ilmanvaihtokanavia, jotta vältetään reaktioprosessin aikana mahdollisesti vapautuvien höyryjen hengittäminen.

Piitä (Si) kuumennetaan noin 900 celsiusasteen lämpötilassa, kunnes sen sulamispiste on noin 905 celsiusastetta. Tässä vaiheessa SiC alkaa hajota hiilidioksidi- ja vetykaasuiksi, jotka sitten reagoivat vesimolekyylien kanssa muodostaen kaasumaisia piidioksidiyhdisteitä, kuten SiO2. Kuumennettaessa edelleen vety sitoutuu ilmassa olevien happimolekyylien kanssa muodostaen kiinteää piioksikarbidia SiO2, joka jää jäljelle kuivauksen ja kovettumisen jälkeen.

Kiinteä SiC-oksikarbidi muodostaa jäähtyessään kovia keraamisia lohkoja, jotka muodostavat luodinkestävän panssarin luoteja tai muita haitallisia aineita vastaan. Tämä materiaali tarjoaa luotettavan suojan.

Piioksikarbidilla on monia muitakin käyttötarkoituksia kuin kulumiskestävyys, kuten kulumista ja korroosiota kestävien materiaalien luominen. Sitä voidaan esimerkiksi käyttää eristysmateriaalina alumiinielektrolyyttisäiliöiden ja kuparisulatusuunien sisällä sekä rakettisuuttimien ja kaasuturbiinien siipien valmistuksessa.

Toisin kuin sen luonnollinen mineraali, jota esiintyy vain pieniä määriä tietyissä meteoriiteissa ja korundiesiintymissä, suuri osa maailmanlaajuisesti myytävästä SiC:stä on synteettisesti tuotettua, ja sitä valmistetaan erilaisilla prosesseilla - erityisesti kun sitä hiotaan ja myydään Moissanite-helmiyksinä.

Synteettistä piikarbidia voidaan valmistaa lämpöhajoamalla, ja sen lämpöstabiilisuus tekee siitä materiaalin, joka on ensisijainen valinta teollisiin sovelluksiin, joissa tarvitaan korkeampia lämpö- ja jännitetasoja.

Terminen hajottaminen tuottaa muita menetelmiä suurempia yksikiteitä, jotka voidaan sitten leikata ja kiillottaa halutuiksi piikarbidityypeiksi teollisuuskäyttöön. Lisäksi terminen hajottaminen mahdollistaa piikarbidin erilaisten monityyppisten muotojen luomisen, jotka riippuvat siitä, miten atomikerrokset pinoutuvat; nämä lajikkeet voidaan luokitella kuutiollisiksi, kuusikulmaisiksi tai romboedrisiksi.

Hapettuminen

Piikarbidi on inerttiä eikä reagoi useimpien happojen (suolahappo, rikkihappo tai fluorivetyhappo) tai emästen kanssa. Yli 900 celsiusasteen lämpötiloissa se kuitenkin hapettuu ilmassa SiO2:ksi, jota kutsutaan kuivahapettumiseksi. Kuivahapettumisen kinetiikkaa ja malleja on tutkittu laajasti, erityisesti Deal ja Groven mallia, joka kuvaa sekä diffuusio- että pintaohjattuja prosesseja samanaikaisesti käyttämällä kahta vakiota - yhtä parabolista ja yhtä lineaarista vakiota (joista toinen tarkoittaa diffuusio-ohjattuja mekanismeja ja toinen pintaprosesseja). [13]

Piikarbidin hapettamiseen kuuluu useita vaiheita. Alkuvaiheessa happi-Si-sidokseen luodaan karbonyylivirhe ja hiilidioksidi poistuu. DFT-laskelmat osoittavat, että tämän vaiheen aktivoitumisenergia on 350 kJ/mol ja että se tapahtuu nopeammin korkeammissa lämpötiloissa; sen nopeus laskee, kun mukana on nitridejä.

Karbonyylihäiriöiden hapettumisen jälkeen muodostuu oksidikalvo, joka toimii hapettumisen käynnistäjänä. Seuraavaksi kasvaa jatkuvia kerrostumia pallomaisia kiteitä, joita kutsutaan kristobaliitiksi ja jotka hajallaan amorfisessa matriisissa lisäävät paikallisesti raerajoja ja hidastavat samalla hapettumisnopeutta.

Kristobaliittia voidaan valmistaa myös muilla prosesseilla, kuten Lelyn sähköuuniprosessilla, jossa yhdistyvät nestemäinen pii ja hiili. Kristobaliittimateriaalista voidaan valmistaa eri muotoisia, kokoisia ja tiheydeltään erilaisia tuotteita, joilla on vaikuttavia lämpö- ja mekaanisia ominaisuuksia sekä kemiallinen inerttiys.

Grafeenista valmistettua materiaalia on sovellettu laajalti erityisesti kaasuturbiineissa, joissa se korvaa nikkelisuperseoksesta valmistettuja siipiä ja siipiä. Koska grafeenin lämpötilakerroin on negatiivinen huoneenlämmössä ja positiivinen korkeammissa lämpötiloissa, se on erinomainen materiaalivalinta korkean lämpötilan lämmityselementteihin, ja sen sähkönjohtavuutta voidaan parantaa lisäämällä siihen erilaisia seostusaineita.

Fysikaalinen höyrystys

Piikarbidista (SiC) on tullut houkutteleva materiaalijärjestelmä, koska sillä on toivottavia fysikaalisia, kemiallisia, mekaanisia ja sähköisiä ominaisuuksia. SiC:n laaja säädettävä kaistanväli, alhainen tiheys ja lujuus yhdistettynä lämmönjohtavuuteen ja iskunkestävyyteen ovat vaikuttaneet merkittävästi sen menestykseen ja tutkimukseen [1]. SiC on edelleen intensiivisen tutkimuksen kohteena maailmanlaajuisesti [2-3].

Kemiallinen höyrystys (CVD) tarjoaa lupauksen tuottaa SiC:tä, jolla on erinomainen optinen läpäisykyky, puhtaus ja sähköinen resistiivisyys ja joka on vapaasti seisova ohutkalvo, joka on valmistettu kemiallisilla höyrystysprosesseilla; CVD-prosessit toimivat kuitenkin tyypillisesti korkeissa lämpötiloissa, mikä voi heikentää kalvon laatua.

Tutkijat ovat edistyneet matalan lämpötilan CVD-tekniikoiden kehittämisessä SiC-kalvojen valmistamiseksi käyttäen menetelminä plasmavahvistettua kemiallista kaasufaasipinnoitusta (PECVD), elektronisyklotroniresonanssia, magnetronipölyttämistä ja pulssilaserpinnoitusta. Esiaineen valinta, laskeutumisprosessin aikana käytetty kaasuseos ja substraatin lämpötila voivat kaikki vaikuttaa merkittävästi kalvon lopullisiin ominaisuuksiin.

Viime aikoina on ollut kasvavaa kiinnostusta SiC-ohutkalvojen CVD-tuotantoon MEMS/NEMS-järjestelmissä ja muissa sovelluksissa käytettäväksi. Valitettavasti tavanomaiset CVD-menetelmät vaativat noin 1400-1500 celsiusasteen lämpötiloja, mikä on selvästi yli sulamispisteen, mikä vaikeuttaa tuotantoa.

SiC:n CVD-kasvatus voi tuottaa epäpuhtauksia, kuten happea ja typpeä, laskeutuskaasulähteestä. Nämä adatomit (epäpuhtaudet) voivat ajan mittaan heikentää kalvoja, mikä johtaa värimuutoksiin ja huonoon tarttuvuuteen.

Fysikaalinen höyrypinnoitus (PVD) on vaihtoehto CVD:lle, joka toimii ilman liuottimia ja eliminoi epäpuhtaudet. PVD-tekniikkaa voidaan käyttää erilaisten metallien, seosten ja dielektristen aineiden pinnoittamiseen.

PVD-tekniikkaa on käytetty kaksinapaisten bi2Te3- ja kaksinapaisten Sb2Te3-kalvojen tallentamiseen polyeteenitereftalaattisubstraateille (PET) taitettavien lämpösähköisten generaattoreiden (f-TEG) valmistamiseksi. Näillä PVD-pinnoitetuilla kalvoilla on alhaisempi sisäinen resistanssi verrattuna taittuviin lämpösähköisiin generaattoreihin, jotka on valmistettu rypyttömillä PET-alustoilla.