Sintetinis silicio karbidas

Silicio karbidas, dažniau vadinamas korundu, yra kieta medžiaga, plačiai naudojama inžinerijoje. Dėl savo išskirtinio stiprumo, ilgaamžiškumo, cheminio inertiškumo ir atsparumo karščiui jis yra puiki medžiaga, tinkama naudoti atšiaurioje aplinkoje ir didelio našumo varikliuose.

SiC sintezei buvo sukurti keli metodai, pavyzdžiui, Achesono metodas, Lely procesas ir cheminis nusodinimas iš garų.

Cheminis nusodinimas iš garų

Silicio karbido CVD yra neįkainojamas gamybos procesas, naudojamas puslaidininkiams, katalizei ir energijos kaupimui. Taikant šį nusodinimo metodą, garų fazė naudojama kontroliuojamų cheminių reakcijų metu, kad ant substratų būtų nusodinamos plonos plėvelės iki 1400 laipsnių C temperatūroje arba plazmos pavidalu žemesnėje temperatūroje, o nusodinimo greitis vis tiek yra didelis.

Nusodinta medžiaga gali būti įvairių formų ir dydžių; jos paviršius gali būti lygus arba tekstūruotas. Plėvelės savybės taip pat gali būti reguliuojamos keičiant jos nusodinimo temperatūrą. Nusodinimo metu naudojamos įvairios paruošiamosios dujos, pavyzdžiui, silanas (SiH4), disilanas (Si2H6) ir tetrachlorsilanas, taip pat anglies pirmtakai, pavyzdžiui, metanas (CH4), acetonas (C2H6), propanas (C3H8), metinas/toluenas/toluenas (C7H8), heksanas (C6H14), metilo chloridas (CH3), anglies tetrachloridas (CCl4) ir kt. Optimaliems rezultatams pasiekti PECVD sistemose, pvz.

PECVD - tai mažo slėgio dujų tiekimas į nusodinimo kamerą, kurioje slėgis yra mažesnis nei 1,3 kPa, o elektros energija naudojama tam, kad suaktyvintų dujų srautą ir susidarytų elektronų, jonų ir elektroninio sužadinimo plazma, kuri skaido ir išgarina reaguojančių medžiagų molekules, o po to reaguoja su įkaitintu substratu ir suformuoja plonas plėveles.

Deponuotas b-SiC gali praleisti šviesą ir matomame, ir infraraudonajame spektro bangų ilgių diapazone. Be to, jo elektrinė varža turi atitikti arba viršyti 500 Ohm-cm-cm; 1000 Ohm-cm-cm būtų dar geriau. Šiomis savybėmis išsiskiria birios sintezės būdu pagamintas b-SiC, kuris visada išlieka nepermatomas ir sugeria bei išsklaido šių bangų ilgių šviesą. Šiame išradime daugiausia dėmesio skiriama sintetinio b-SiC, kuris yra ir labai skaidrus, ir pasižymi pageidaujamomis mechaninėmis savybėmis, įskaitant kietumą, gamybos procesui sukurti. Vis dažniau plėtojami prognozavimo modeliavimo metodai, kuriais vaizduojami pernašos reiškiniai ir chemija, pradedant grynais termodinaminiais ir kinetiniais aprašymais ir baigiant masės pernašos modeliais.

Terminis skilimas

Sintetiniam silicio karbidui (SiC) gaminti reikalingos cheminės reakcijos vyksta aukštoje temperatūroje, todėl jas atliekant gerai vėdinamoje patalpoje reikia būti atsargiems. Šio proceso metu taip pat reikia dėvėti tinkamas saugos priemones, pavyzdžiui, karščiui atsparias pirštines ir apsauginius akinius, taip pat tinkamus gaubtus ir ventiliacijos kanalus, kad būtų išvengta kvėpavimo garais, kurie gali išsiskirti vykstant šiai reakcijai.

Apytiksliai 900 laipsnių Celsijaus temperatūroje silicis (Si) kaitinamas iki maždaug 905 laipsnių Celsijaus lydymosi temperatūros. Tuo metu SiC pradeda skaidytis į anglies dioksido ir vandenilio dujas, kurios reaguoja su vandens molekulėmis ir sudaro dujinius silicio dioksido junginius, pavyzdžiui, SiO2. Toliau kaitinant vandenilis jungiasi su ore esančiomis deguonies molekulėmis ir susidaro kietasis silicio oksikarbidas SiO2, kuris išlieka po džiovinimo ir kietinimo.

Kietasis SiC oksikarbidas atvėsęs sudaro kietus keraminius blokus, kurie yra neperšaunamas šarvas nuo kulkų ar kitų kenksmingų medžiagų. Ši medžiaga užtikrina patikimą apsaugą.

Silicio oksikarbidas naudojamas ne tik atsparumui dilimui, bet ir kitoms reikmėms, įskaitant atsparių dilimui ir korozijai medžiagų kūrimą. Pavyzdžiui, jis gali būti naudojamas kaip izoliacinė medžiaga aliuminio elektrolitinėse talpyklose ir vario lydymo krosnyse, taip pat gaminant raketų antgalius ir dujų turbinų mentes.

Priešingai nei natūralus mineralas, kurio pėdsakų yra tik kai kuriuose meteorituose ir korundo telkiniuose, didžioji dalis visame pasaulyje parduodamo SiC gaminama sintetiniu būdu, naudojant įvairius procesus, ypač kai jis šlifuojamas ir parduodamas kaip moisanito brangakmeniai.

Sintetinį silicio karbidą galima pagaminti terminio skilimo būdu, o dėl jo šiluminio stabilumo jis yra tinkama medžiaga pramoninėms reikmėms, kurioms reikia didesnio karščio ir įtampos lygio.

Terminio skaidymo metu gaunami didesni nei kitais metodais pavieniai kristalai, kuriuos vėliau galima pjaustyti ir poliruoti į norimų rūšių silicio karbidą, skirtą naudoti pramonėje. Be to, terminis skaidymas leidžia sukurti skirtingus silicio karbido politipus, kurie priklauso nuo to, kaip sudedami atominiai sluoksniai; šios atmainos gali būti klasifikuojamos kaip kubinės, šešiakampės arba romboedrinės formos.

Oksidacija

Silicio karbidas yra inertiškas, nereaguoja su daugeliu rūgščių (druskos, sieros ar fluoro vandenilio) ar šarmų. Tačiau aukštesnėje nei 900 laipsnių C temperatūroje jis oksiduojasi ore ir susidaro SiO2, vadinamoji sausoji oksidacija. Sausosios oksidacijos kinetika ir modeliai buvo išsamiai ištirti, ypač Dealo ir Grove'o modelis, kuriame vienu metu aprašomi ir difuzijos valdomi mechanizmai, ir paviršiaus valdomi procesai, naudojant dvi konstantas - vieną parabolinę ir vieną tiesinę konstantą (kur viena reiškia difuzijos valdomus mechanizmus, o kita - paviršiaus procesus). [13]

Oksiduojant silicio karbidą atliekami keli etapai. Pradiniame etape deguonies ir silicio jungties vietoje sukuriamas karbonilo defektas ir desorbuojamas anglies dioksidas. DFT skaičiavimai rodo, kad šio etapo aktyvavimo energija yra 350 kJ/mol ir jis vyksta greičiau, kai temperatūra aukštesnė; jo greitis sumažėja, kai yra nitridų.

Oksidavus karbonilo defektams, susidaro oksido plėvelė, kuri yra tolesnės oksidacijos iniciatorius. Toliau auga ištisiniai sferulitinių kristalų, vadinamų kristobalitu, sluoksniai, kurie disperguoti amorfinėje matricoje, vietomis padidina grūdelių ribas ir sulėtina oksidacijos greitį.

Krištobalitas taip pat gali būti gaminamas naudojant kitus procesus, įskaitant "Lely" elektrinės krosnies procesą, kurio metu derinamas skystas silicis ir anglis. Kristobalito medžiagą galima pagaminti įvairių formų, dydžių ir tankių, pasižyminčių įspūdingomis terminėmis ir mechaninėmis savybėmis bei cheminiu inertiškumu.

Iš grafeno pagaminta medžiaga plačiai taikoma, ypač dujų turbinose, kur ji pakeičia nikelio lydinio mentes ir mentes. Dėl neigiamo temperatūros koeficiento kambario temperatūroje ir teigiamo aukštesnėje temperatūroje grafenas yra puiki medžiaga aukštatemperatūriams kaitinimo elementams, o jo elektriniam laidumui pagerinti galima pridėti įvairių legiruojančių medžiagų.

Fizikinis nusodinimas iš garų

Silicio karbidas (SiC) dėl pageidaujamų fizikinių, cheminių, mechaninių ir elektrinių savybių derinio tapo patrauklia medžiagų sistema. SiC platus derinamas juostinis tarpas, mažas tankis ir stiprumas kartu su šiluminiu laidumu ir atsparumu smūgiams labai prisidėjo prie jo sėkmės ir mokslinių tyrimų [1]. SiC tebėra intensyvių tyrimų centre visame pasaulyje [2-3].

Cheminis nusodinimas iš garų (CVD) suteikia vilčių gaminti SiC, pasižymintį geresniu optiniu pralaidumu, grynumu ir elektrine varža, kuris yra laisvos plonos plėvelės, pagamintos naudojant cheminio nusodinimo iš garų procesus; tačiau CVD procesai paprastai vyksta aukštoje temperatūroje, o tai gali pabloginti plėvelės kokybę.

Mokslininkai daro pažangą kurdami žemos temperatūros CVD metodus SiC plėvelėms gaminti, kaip metodus naudodami plazmoje sustiprintą cheminį nusodinimą iš garų (PECVD), elektronų ciklotroninio rezonanso CVD, magnetroninį dulkinimą ir impulsinį lazerinį nusodinimą. Pirmtakų parinkimas, nusodinimo proceso metu naudojamas dujų mišinys ir substrato temperatūra gali turėti didelę įtaką galutinėms plėvelės savybėms.

Pastaruoju metu vis labiau domimasi plonų SiC plėvelių, skirtų naudoti MEMS/NEMS sistemose ir kitose srityse, gamyba CVD būdu. Deja, įprastiniams CVD metodams reikia maždaug 1400-1500 laipsnių Celsijaus temperatūros, t. y. gerokai aukštesnės nei jo lydymosi temperatūra, o tai apsunkina gamybą.

CVD būdu auginant SiC, iš nusodinimo dujų šaltinio gali susidaryti tokių teršalų kaip deguonis ir azotas. Šie adatomai (teršalai) laikui bėgant gali pažeisti plėveles, dėl to gali pakisti jų spalva ir atsirasti sukibimo problemų.

Fizikinis nusodinimas iš garų (PVD) - tai CVD alternatyva, kuri veikia be tirpiklių, todėl pašalinamos priemaišos. PVD technologija gali būti naudojama įvairiems metalams, lydiniams ir dielektrikams nusodinti.

Naudojant PVD technologiją ant polietileno tereftalato (PET) substratų buvo nusodintos dvipolės bi2Te3 ir dvipolės Sb2Te3 plėvelės, skirtos sulankstomiems termoelektriniams generatoriams (f-TEG) gaminti. Šios PVD būdu nusodintos plėvelės pasižymi mažesne vidine varža, palyginti su sulankstomais termoelektriniais generatoriais, pagamintais naudojant nesiraukšlėtus PET padėklus.