Carburo di silicio sintetico

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato corindone, è un materiale duro ampiamente utilizzato nelle applicazioni ingegneristiche. Grazie alle sue proprietà superiori di forza, durata, inerzia chimica e resistenza al calore, è un materiale eccellente per ambienti difficili e motori ad alte prestazioni.

Per sintetizzare il SiC sono stati ideati diversi metodi, come il metodo Acheson, il processo Lely e la deposizione chimica da vapore.

Deposizione chimica da vapore

La CVD del carburo di silicio è un processo di produzione prezioso utilizzato per i semiconduttori, la catalisi e le applicazioni di stoccaggio dell'energia. Questo metodo di deposizione utilizza la fase di vapore di reazioni chimiche controllate per depositare film sottili su substrati a temperature fino a 1400degC o in forma di plasma a temperature inferiori con tassi di deposizione ancora elevati.

Il materiale depositato può assumere varie forme e dimensioni; la sua finitura superficiale può essere liscia o strutturata. Le proprietà del film possono essere regolate anche modificando la temperatura di deposizione. Durante la deposizione viene utilizzata una varietà di gas di preparazione come silano (SiH4), disilano (Si2H6) e tetraclorosilano, insieme a precursori di carbonio come metano (CH4), acetone (C2H6) propano (C3H8) metina/toluene/toluene (C7H8) esano (C6H14), cloruro di metile (CH3) tetracloruro di carbonio (CCl4) ecc. Per ottenere risultati ottimali nei sistemi PECVD, come i sistemi di deposizione chimica da vapore potenziata al plasma (PECVD).

La PECVD prevede l'invio di gas a bassa pressione in una camera di deposizione a meno di 1,3 kPa, dove viene applicata energia elettrica per attivarne il flusso e generare un plasma a scarica incandescente costituito da elettroni, ioni e specie elettronicamente eccitate che scompone e vaporizza le molecole reagenti prima di reagire con il substrato riscaldato per formare film sottili.

Il b-SiC depositato può trasmettere la luce in entrambe le lunghezze d'onda dello spettro, visibile e infrarosso. Inoltre, la sua resistività elettrica deve soddisfare o superare i 500 Ohm-cm-cm; 1000 Ohm-cm-cm sarebbero ancora meglio. Queste caratteristiche contraddistinguono il b-SiC prodotto tramite sintesi in massa, che rimane invariabilmente opaco e assorbe e diffonde la luce a queste lunghezze d'onda. La presente invenzione si concentra sullo sviluppo di un processo per la produzione di b-SiC sintetico che sia altamente trasparente e che presenti proprietà meccaniche desiderabili, tra cui la durezza. Sono stati sviluppati sempre più approcci di modellazione predittiva che rappresentano i fenomeni di trasporto e la chimica, dalle descrizioni termodinamiche e cinetiche pure ai modelli di trasporto di massa.

Decomposizione termica

Le reazioni chimiche necessarie per creare il carburo di silicio sintetico (SiC) comportano temperature elevate, pertanto è necessario prestare attenzione quando si svolgono in un'area ben ventilata. Durante questo processo è necessario indossare anche un'adeguata attrezzatura di sicurezza, come guanti resistenti al calore e occhiali protettivi, oltre a cappe e condotti di ventilazione adeguati per evitare di respirare i vapori che possono essere rilasciati durante il processo di reazione.

A una temperatura di circa 900 gradi Celsius, il silicio (Si) viene riscaldato fino al suo punto di fusione di circa 905 gradi Celsius. A questo punto, il SiC inizia a decomporsi in anidride carbonica e idrogeno che reagiscono con le molecole d'acqua per formare composti gassosi di biossido di silicio come il SiO2. Se riscaldato ulteriormente, l'idrogeno si lega alle molecole di ossigeno presenti nell'aria per formare l'ossicarburo di silicio solido SiO2, che rimane dopo l'essiccazione e la polimerizzazione.

L'ossicarburo di SiC forma blocchi ceramici duri quando si raffredda, fornendo un'armatura antiproiettile contro i proiettili o qualsiasi altra sostanza nociva. Questo materiale offre una protezione affidabile.

L'ossicarburo di silicio ha molti altri usi oltre alla resistenza all'usura, tra cui la creazione di materiali resistenti all'usura e alla corrosione. Ad esempio, può essere utilizzato come materiale isolante all'interno dei serbatoi elettrolitici di alluminio e dei forni di fusione del rame, nonché per la produzione di ugelli per razzi e pale per turbine a gas.

Contrariamente alla sua controparte minerale naturale, presente in tracce solo in alcuni meteoriti e depositi di corindone, gran parte del SiC venduto in tutto il mondo è prodotto sinteticamente con vari processi, in particolare quando viene tagliato e venduto come gemma Moissanite.

Il carburo di silicio sintetico può essere prodotto tramite decomposizione termica e la sua stabilità termica lo rende il materiale preferito per le applicazioni industriali che richiedono livelli di calore e di tensione più elevati.

La decomposizione termica produce cristalli singoli più grandi rispetto ad altri metodi, che possono essere tagliati e lucidati nei tipi di carburo di silicio desiderati per uso industriale. Inoltre, la decomposizione termica consente di creare diversi politipi di carburo di silicio che dipendono dal modo in cui gli strati atomici si impilano; queste varietà possono essere classificate come cubiche, esagonali o romboedriche.

Ossidazione

Il carburo di silicio è inerte e non reagisce con la maggior parte degli acidi (cloridrico, solforico o fluoridrico) o delle basi. Tuttavia, a temperature superiori a 900degC si ossida in aria per produrre SiO2, noto come ossidazione a secco. La cinetica e i modelli per l'ossidazione a secco sono stati ampiamente studiati - in particolare il modello di Deal e Grove che descrive sia i meccanismi controllati dalla diffusione sia i processi controllati dalla superficie utilizzando contemporaneamente due costanti - una parabolica e una lineare (dove una indica i meccanismi controllati dalla diffusione mentre l'altra rappresenta i processi di superficie). [13]

L'ossidazione del carburo di silicio comporta diverse fasi. La fase iniziale prevede la creazione di un difetto carbonilico in un sito di legame ossigeno-Si e il desorbimento dell'anidride carbonica. I calcoli DFT rivelano che questa fase ha un'energia di attivazione di 350kJ/mol e avviene più rapidamente con temperature più elevate; la sua velocità diminuisce in presenza di nitruri.

In seguito all'ossidazione dei difetti carbonilici, si forma una pellicola di ossido che funge da iniziatore per l'ulteriore ossidazione. Segue la crescita di strati continui di cristalli sferulitici noti come cristobalite, la cui dispersione in una matrice amorfa aumenta localmente i confini dei grani rallentando la velocità di ossidazione.

La Cristobalite può essere prodotta anche con altri processi, tra cui quello del forno elettrico di Lely che combina silicio liquido e carbonio. Il materiale Cristobalite può essere prodotto in varie forme, dimensioni e densità, con notevoli proprietà termiche e meccaniche e inerzia chimica.

Il materiale ricavato dal grafene ha trovato ampia applicazione, in particolare nelle turbine a gas, dove sostituisce le pale e le palette in superlega di nichel. Grazie al suo coefficiente di temperatura negativo a temperatura ambiente e positivo a temperature più elevate, il grafene rappresenta un'ottima scelta di materiale per gli elementi riscaldanti ad alta temperatura; inoltre, è possibile aggiungere vari droganti per migliorarne la conducibilità elettrica.

Deposizione fisica da vapore

Il carburo di silicio (SiC), grazie alla sua combinazione di proprietà fisiche, chimiche, meccaniche ed elettriche desiderabili, è diventato un sistema materiale interessante. L'ampio band gap sintonizzabile, la bassa densità e la resistenza del SiC, combinate con la conduttività termica e la resistenza agli urti, hanno contribuito in modo significativo al suo successo e alla sua ricerca [1]. Il SiC rimane al centro di intense ricerche in tutto il mondo [2-3].

La deposizione chimica da vapore (CVD) promette di produrre SiC con una trasmissione ottica, una purezza e una resistività elettrica superiori, grazie a film sottili indipendenti fabbricati mediante processi di deposizione chimica da vapore; tuttavia, i processi CVD operano tipicamente a temperature elevate che potrebbero compromettere la qualità del film.

I ricercatori stanno facendo passi da gigante nello sviluppo di tecniche CVD a bassa temperatura per la produzione di film di SiC, utilizzando come metodi la deposizione di vapore chimico potenziata al plasma (PECVD), la CVD a risonanza di ciclotrone elettronico, lo sputtering magnetronico e la deposizione laser pulsata. La selezione del precursore, la miscela di gas utilizzata durante le condizioni del processo di deposizione e la temperatura del substrato possono influenzare in modo significativo le caratteristiche del film finale.

Di recente, si è registrato un crescente interesse per la produzione CVD di film sottili di SiC da utilizzare nei sistemi MEMS/NEMS e in altre applicazioni. Purtroppo, i metodi CVD convenzionali richiedono temperature di circa 1400-1500 gradi Celsius - ben oltre il punto di fusione - che rendono difficile la produzione.

La crescita CVD di SiC può generare contaminanti come ossigeno e azoto dalla fonte di gas di deposizione. Questi adatomi (contaminanti) possono degradare i film nel tempo, causando scolorimento e problemi di scarsa adesione.

La deposizione fisica da vapore (PVD) è un'alternativa alla CVD che opera senza solventi, eliminando le impurità. La tecnologia PVD può essere utilizzata per depositare vari metalli, leghe e dielettrici.

La tecnologia PVD è stata impiegata per depositare film bipolari bi2Te3 e bipolari Sb2Te3 su substrati di polietilene tereftalato (PET) per produrre generatori termoelettrici pieghevoli (f-TEG). Questi film depositati in PVD presentano una resistenza interna inferiore rispetto ai generatori termoelettrici pieghevoli costruiti con substrati in PET privi di rughe.