Szintetikus szilícium-karbid

A szilíciumkarbid, közismertebb nevén korund egy kemény anyag, amelyet széles körben alkalmaznak a műszaki alkalmazásokban. Kiváló szilárdsága, tartóssága, kémiai inertitása és hőállósága révén kiváló anyagválasztás a zord környezetekben és a nagy teljesítményű motorok számára.

A SiC szintézisére többféle módszert dolgoztak ki, például az Acheson-módszert, a Lely-eljárást és a kémiai gőzfázisú leválasztást.

Kémiai gőzfázisú leválasztás

A szilícium-karbid CVD-je felbecsülhetetlen értékű gyártási eljárás, amelyet félvezetők, katalízis és energiatároló alkalmazásokhoz használnak. Ez a leválasztási módszer a szabályozott kémiai reakciók gőzfázisát használja fel a vékonyrétegek hordozóra történő leválasztására akár 1400 fokos hőmérsékleten, vagy plazma formájában alacsonyabb hőmérsékleten, még mindig magas leválasztási sebességgel.

A lerakódott anyag különböző formájú és méretű lehet; felülete lehet sima vagy texturált. A film tulajdonságai a leválasztási hőmérséklet változtatásával is beállíthatók. A leválasztás során különböző előkészítő gázokat használnak, például szilánt (SiH4), diszilánt (Si2H6) és tetraklórszilánt, valamint olyan szén prekurzorokat, mint a metán (CH4), aceton (C2H6) propán (C3H8) metin/toluol/toluol (C7H8) hexán (C6H14), metilklorid (CH3) széntetraklorid (CCl4) stb. Az optimális eredmények elérése érdekében a PECVD-rendszerekben, például a plazmaerősített kémiai gőzfázisú leválasztó rendszerekben (PECVD).

A PECVD során alacsony nyomású gázt juttatnak egy 1,3 kPa-nál kisebb nyomású leválasztó kamrába, ahol elektromos energiát alkalmaznak az áramlás aktiválása és az elektronokból, ionokból és elektronikusan gerjesztett fajokból álló izzó kisülési plazma létrehozása érdekében, amely szétbontja és elpárologtatja a reaktáns molekulákat, mielőtt a felmelegített hordozóval reagálva vékonyrétegeket képezne.

A leválasztott b-SiC a spektrum látható és infravörös hullámhosszú tartományaiban egyaránt képes fényt átereszteni. Ezenkívül az elektromos ellenállásának el kell érnie vagy meg kell haladnia az 500 Ohm-cm-cm-t; az 1000 Ohm-cm-cm még jobb lenne. Ezek a jellemzők kiemelik az ömlesztett szintézissel előállított b-SiC-t, amely változatlanul átlátszatlan marad, és elnyeli és szórja a fényt ezeken a hullámhosszakon. A jelen találmány olyan szintetikus b-SiC előállítására szolgáló eljárás kifejlesztésére összpontosít, amely egyszerre nagymértékben átlátszó és kívánatos mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, beleértve a keménységet is. Egyre több olyan prediktív modellezési megközelítést dolgoztak ki, amelyek a transzportjelenségeket és a kémiát reprezentálják, a tisztán termodinamikai és kinetikai leírásoktól kezdve a tömegszállítási modelleken keresztül.

Termikus bomlás

A szintetikus szilíciumkarbid (SiC) előállításához szükséges kémiai reakciók magas hőmérsékleten zajlanak, ezért a reakciókat jól szellőztetett helyen kell végrehajtani. A folyamat során megfelelő védőfelszerelést, például hőálló kesztyűt és védőszemüveget is kell viselni, valamint megfelelő füstelvezetőket és szellőzőcsatornákat, hogy elkerüljük a reakció során felszabaduló gőzök belélegzését.

A szilíciumot (Si) körülbelül 900 Celsius-fokos hőmérsékleten körülbelül 905 Celsius-fokos olvadáspontjáig melegítik. Ezen a ponton a SiC szén-dioxid és hidrogéngázokká kezd bomlani, amelyek aztán vízmolekulákkal reagálva gáznemű szilícium-dioxid-vegyületeket, például SiO2-t képeznek. További melegítéskor a hidrogén a levegőben lévő oxigénmolekulákkal kötődik, és szilárd szilícium-oxikarbid SiO2-t képez, amely a szárítás és a kikeményedés után megmarad.

A SiC-oxikarbid szilárd anyag lehűléskor kemény kerámiatömböket képez, amelyek golyóálló páncélt biztosítanak a golyókkal vagy más káros anyagokkal szemben. Ez az anyag megbízható védelmet nyújt.

A szilícium-oxikarbidot a kopásállóságon kívül számos más célra is használják, többek között kopás- és korrózióálló anyagok előállítására. Például alumíniumelektrolit-tartályok és rézolvasztó kemencék szigetelőanyagaként, valamint rakétafúvókák és gázturbinák lapátjainak gyártásához is használható.

Szemben természetes ásványi megfelelőjével, amely csak nyomokban fordul elő bizonyos meteoritokban és korundlelőhelyeken, a világszerte értékesített SiC nagy részét szintetikusan állítják elő különböző eljárásokkal - különösen, ha Moissanite drágakőként vágják és értékesítik.

A szintetikus szilíciumkarbidot hőbomlással lehet előállítani, és hőstabilitása miatt a nagyobb hő- és feszültségszintet igénylő ipari alkalmazásokban a legmegfelelőbb anyag.

A termikus bomlással nagyobb egykristályok keletkeznek, mint más módszerekkel, amelyek aztán ipari felhasználásra szánt, kívánt típusú szilíciumkarbiddá vághatók és csiszolhatók. Továbbá a termikus bomlás lehetővé teszi a szilíciumkarbid különböző polytípusainak létrehozását, amelyek attól függnek, hogy az atomrétegek hogyan rakódnak egymásra; ezek a fajták azután köbös, hatszögletű vagy romboéderes alakúak lehetnek.

Oxidáció

A szilíciumkarbid inert, nem lép reakcióba a legtöbb savval (sósavval, kénsavval vagy fluorvizes savval) vagy bázissal. Azonban 900degC feletti hőmérsékleten a levegőben oxidálódik, és SiO2 keletkezik, amit száraz oxidációnak nevezünk. A száraz oxidáció kinetikáját és modelljeit széles körben kutatták - leginkább Deal és Grove modelljét, amely egyszerre írja le a diffúzióvezérelt mechanizmusokat és a felületvezérelt folyamatokat két konstans - egy parabolikus és egy lineáris konstans - segítségével (ahol az egyik a diffúzióvezérelt mechanizmusokat, míg a másik a felületi folyamatokat jelöli). [13]

A szilíciumkarbid oxidálása több lépést foglal magában. A kezdeti szakaszban egy oxigén-Si kötés helyén karbonilhiba keletkezik, és a szén-dioxid deszorbálódik. A DFT-számítások azt mutatják, hogy ennek a lépésnek az aktiválási energiája 350 kJ/mol, és magasabb hőmérsékleten gyorsabban megy végbe; a nitridek jelenlétében a sebesség csökken.

A karbonilhibák oxidációját követően oxidfilm képződik, amely a további oxidáció indítóanyagaként szolgál. Ezután következik a kristobalitnak nevezett gömbölyű kristályok összefüggő rétegeinek növekedése, amelyek az amorf mátrixban diszpergálva helyileg növelik a szemcsehatárokat, miközben lassítják az oxidációs sebességet.

A krisztobalitot más eljárásokkal is elő lehet állítani, többek között a Lely elektromos kemencében működő, folyékony szilíciumot és szenet kombináló eljárásával. A krisztobalit anyagból különböző formák, méretek és sűrűségek készíthetők, lenyűgöző termikus és mechanikai tulajdonságokkal, valamint kémiai inertitással.

A grafénből készült anyag széleskörű alkalmazásra talált, különösen a gázturbinákban, ahol a nikkelszuperötvözetből készült lapátokat és lapátokat helyettesíti. A szobahőmérsékleten negatív, magasabb hőmérsékleten pedig pozitív hőmérsékleti együtthatója miatt a grafén kiváló anyagot jelent a magas hőmérsékletű fűtőelemek számára, és különböző adalékanyagok hozzáadásával javítható az elektromos vezetőképessége.

Fizikai gőzfázisú leválasztás

A szilícium-karbid (SiC) a kívánatos fizikai, kémiai, mechanikai és elektromos tulajdonságok kombinációja miatt vonzó anyagrendszerré vált. A SiC széles hangolható sávhézaga, alacsony sűrűsége és szilárdsága, valamint hővezető képessége és ütésállósága jelentősen hozzájárult sikeréhez és kutatásaihoz [1]. A SiC továbbra is világszerte intenzív kutatások középpontjában áll [2-3].

A kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) ígéretes lehetőséget kínál a kiváló optikai áteresztőképességű, tisztaságú és elektromos ellenállású SiC előállítására, amely szabadon álló vékonyfilmek, amelyeket kémiai gőzfázisú leválasztási eljárásokkal állítanak elő; a CVD-eljárások azonban jellemzően magas hőmérsékleten működnek, ami veszélyeztetheti a film minőségét.

A kutatók előrelépéseket tesznek a SiC-filmek előállítására szolgáló alacsony hőmérsékletű CVD-technikák kifejlesztése felé, amelyekhez plazmaerősítésű kémiai gőzfázisú leválasztást (PECVD), elektronciklotron-rezonancia CVD-t, magnetronporlasztást és impulzuslézeres leválasztást alkalmaznak. A prekurzor kiválasztása, a leválasztási folyamat során alkalmazott gázkeverék, a körülmények és a szubsztrát hőmérséklete mind jelentősen befolyásolhatják a film végső jellemzőit.

Az utóbbi időben egyre nagyobb érdeklődés mutatkozik a SiC vékonyrétegek CVD-gyártása iránt, amelyeket MEMS/NEMS rendszerekben és más alkalmazásokban használnak. Sajnos a hagyományos CVD-módszerekhez 1400-1500 Celsius-fok körüli hőmérsékletre van szükség - ami jóval meghaladja az olvadáspontot -, ami megnehezíti a gyártást.

A SiC CVD-növesztése szennyeződéseket, például oxigént és nitrogént termelhet a leválasztó gázforrásból. Ezek az adatomok (szennyeződések) idővel roncsolhatják a filmeket, ami elszíneződéshez és rossz tapadási problémákhoz vezethet.

A fizikai gőzfázisú leválasztás (PVD) a CVD alternatívája, amely oldószerek nélkül működik, így kiküszöböli a szennyeződéseket. A PVD-technológia különböző fémek, ötvözetek és dielektrikumok leválasztására használható.

A PVD-technológiát alkalmazták bipoláris bi2Te3 és bipoláris Sb2Te3 filmek polietilén-tereftalát (PET) szubsztrátokra történő leválasztására, hogy összehajtható termoelektromos generátorokat (f-TEG) állítsanak elő. Ezek a PVD-leválasztott filmek alacsonyabb belső ellenállást mutatnak a gyűrődésmentes PET szubsztrátumok felhasználásával készült összehajtható termoelektromos generátorokhoz képest.