Carbura de siliciu, denumită mai frecvent corindon, este un material dur utilizat pe scară largă în aplicații tehnice. Datorită proprietăților sale superioare de rezistență, durabilitate, inerție chimică și rezistență la căldură, acesta reprezintă o alegere excelentă de material pentru medii dure și motoare de înaltă performanță.
Au fost concepute mai multe metode de sintetizare a SiC, cum ar fi metoda Acheson, procesul Lely și depunerea chimică a vaporilor.
Depuneri chimice de vapori
CVD de carbură de siliciu este un proces de fabricație neprețuit utilizat pentru semiconductori, cataliză și aplicații de stocare a energiei. Această metodă de depunere utilizează faza de vapori a reacțiilor chimice controlate pentru a depune filme subțiri pe substraturi la temperaturi de până la 1400degC sau sub formă de plasmă la temperaturi mai scăzute, cu rate de depunere încă ridicate.
Materialul depus poate lua diferite forme și dimensiuni; suprafața sa poate fi netedă sau texturată. Proprietățile filmului pot fi, de asemenea, ajustate prin modificarea temperaturii de depunere. În timpul depunerii se utilizează o varietate de gaze de preparare, precum silanul (SiH4), disilanul (Si2H6) și tetraclorosilanul, împreună cu precursori de carbon precum metanul (CH4), acetona (C2H6) propanul (C3H8) metina/toluenul/toluenul (C7H8) hexanul (C6H14), clorura de metil (CH3) tetraclorura de carbon (CCl4) etc. Pentru rezultate optime în sistemele PECVD, cum ar fi sistemele de depunere chimică în fază de vapori îmbunătățite cu plasmă (PECVD).
PECVD implică trimiterea de gaz la presiune scăzută într-o cameră de depunere la mai puțin de 1,3 kPa, unde se aplică energie electrică pentru a activa fluxul acestuia și a genera o plasmă de descărcare incandescentă constând în electroni, ioni și specii excitate electronic, care separă și vaporizează moleculele reactante înainte de a reacționa cu substratul încălzit pentru a forma filme subțiri.
B-SiC depus poate transmite lumina atât în spectrul vizibil, cât și în cel al lungimilor de undă infraroșii. În plus, rezistivitatea sa electrică trebuie să atingă sau să depășească 500 Ohm-cm-cm; 1000 Ohm-cm-cm ar fi chiar mai bine. Aceste caracteristici evidențiază b-SiC produs prin sinteză în masă, care rămâne invariabil opac și absoarbe și dispersează lumina la aceste lungimi de undă. Prezenta invenție se concentrează pe dezvoltarea unui proces de producere a b-SiC sintetic care este atât foarte transparent, cât și cu proprietăți mecanice dorite, inclusiv duritate. Au fost dezvoltate din ce în ce mai multe abordări de modelare predictivă care reprezintă fenomenele de transport și chimia, de la descrieri pur termodinamice și cinetice până la modele de transport în masă.
Decompoziție termică
Reacțiile chimice necesare pentru crearea carburii de siliciu sintetice (SiC) implică temperaturi ridicate, astfel încât trebuie să se acorde atenție desfășurării acestora într-o zonă bine ventilată. De asemenea, în timpul acestui proces trebuie purtate echipamente de siguranță adecvate, cum ar fi mănuși rezistente la căldură și ochelari de protecție, precum și hote și conducte de ventilație adecvate pentru a evita inhalarea vaporilor care pot fi degajați în timpul acestui proces de reacție.
La o temperatură de aproximativ 900 de grade Celsius, siliciul (Si) este încălzit până la punctul său de topire de aproximativ 905 grade Celsius. În acest punct, SiC începe să se descompună în gaze de dioxid de carbon și hidrogen, care reacționează apoi cu moleculele de apă pentru a forma compuși gazoși de dioxid de siliciu precum SiO2. Când este încălzit în continuare, hidrogenul se leagă de moleculele de oxigen prezente în aer pentru a forma oxicarbura de siliciu solidă SiO2, care rămâne după uscare și întărire.
Oxicarbura SiC solidă formează blocuri ceramice dure atunci când se răcește, oferind o armură antiglonț împotriva gloanțelor sau a oricăror alte substanțe nocive. Acest material oferă o protecție fiabilă.
Oxicarbura de siliciu are multe alte utilizări decât rezistența la uzură, inclusiv crearea de materiale rezistente la uzură și coroziune. De exemplu, poate fi utilizat ca material izolant în interiorul rezervoarelor electrolitice de aluminiu și al cuptoarelor de topire a cuprului, precum și la fabricarea ajutajelor rachetelor și a paletelor pentru turbinele cu gaz.
Spre deosebire de omologul său mineral natural, care apare doar în cantități infime în anumiți meteoriți și depozite de corindon, o mare parte din SiC vândut la nivel mondial este produs sintetic prin diverse procese - în special atunci când este tăiat și vândut sub formă de pietre Moissanite.
Carbura de siliciu sintetică poate fi produsă prin descompunere termică, iar stabilitatea sa termică o face materialul preferat pentru aplicațiile industriale care necesită niveluri ridicate de căldură și tensiune.
Descompunerea termică produce monocristale mai mari decât alte metode, care pot fi apoi tăiate și șlefuite în tipurile dorite de carbură de siliciu pentru utilizare industrială. În plus, descompunerea termică permite crearea de diferite politipuri de carbură de siliciu care depind de modul în care straturile atomice se suprapun; aceste varietăți pot fi clasificate ca având formă cubică, hexagonală sau romboedrică.
Oxidare
Carbura de siliciu este inertă și nu reacționează cu majoritatea acizilor (clorhidric, sulfuric sau hidrofluoric) sau bazelor. Cu toate acestea, la temperaturi de peste 900degC se oxidează în aer pentru a produce SiO2, cunoscută sub denumirea de oxidare uscată. Cinetica și modelele pentru oxidarea uscată au fost cercetate pe larg - cel mai notabil fiind modelul lui Deal și Grove care descrie simultan atât mecanismele controlate prin difuzie, cât și procesele controlate la suprafață, utilizând două constante - o constantă parabolică și una liniară (unde una semnifică mecanismele controlate prin difuzie, în timp ce cealaltă reprezintă procesele de suprafață). [13]
Oxidarea carburii de siliciu implică mai multe etape. Etapa inițială implică crearea unui defect de carbonil la un loc de legătură oxigen-Si și desorbția dioxidului de carbon. Calculele DFT arată că această etapă are o energie de activare de 350kJ/mol și are loc mai rapid cu temperaturi mai ridicate; rata sa scade atunci când este prezentă cu nitruri.
În urma oxidării defectelor carbonilice, se formează o peliculă de oxid care servește drept inițiator pentru oxidarea ulterioară. Urmează creșterea unor straturi continue de cristale sferulitice cunoscute sub numele de cristobalită, a căror dispersie într-o matrice amorfă mărește local limitele granulelor, încetinind în același timp viteza de oxidare.
Cristobalita poate fi produsă și prin alte procedee, inclusiv prin procedeul cuptorului electric Lely, care combină siliciu lichid și carbon. Materialul Cristobalite poate fi realizat în diferite forme, dimensiuni și densități, cu proprietăți termice și mecanice impresionante, precum și inerție chimică.
Materialul fabricat din grafen a găsit o largă aplicare, în special în cadrul turbinelor cu gaz, unde înlocuiește paletele și paletele din superaliaj de nichel. Cu coeficientul său de temperatură negativ la temperatura camerei și pozitiv la temperaturi mai ridicate, grafenul reprezintă o alegere excelentă pentru elementele de încălzire la temperaturi ridicate, iar pentru îmbunătățirea conductivității sale electrice se pot adăuga diferiți dopanți.
Depuneri fizice de vapori
Carbura de siliciu (SiC), datorită combinației sale de proprietăți fizice, chimice, mecanice și electrice de dorit, a devenit un sistem de materiale atractiv. Band gap-ul larg reglabil al SiC, densitatea scăzută și rezistența, combinate cu conductivitatea termică și rezistența la șocuri, au contribuit semnificativ la succesul și cercetarea sa [1]. SiC rămâne în centrul unor cercetări intense la nivel mondial [2-3].
Depunerea chimică în stare de vapori (CVD) oferă promisiunea de a produce SiC cu transmisie optică, puritate și rezistivitate electrică superioare care sunt filme subțiri independente fabricate prin procese de depunere chimică în stare de vapori; cu toate acestea, procesele CVD funcționează de obicei la temperaturi ridicate care ar putea compromite calitatea filmului.
Cercetătorii fac progrese în dezvoltarea tehnicilor CVD la temperatură scăzută pentru producerea de filme de SiC, folosind ca metode depunerea chimică în vapori îmbunătățită cu plasmă (PECVD), CVD prin rezonanță ciclotronică electronică, pulverizare magnetronică și depunere laser pulsată. Selecția precursorului, amestecul de gaze utilizat în timpul condițiilor procesului de depunere și temperatura substratului pot avea o influență semnificativă asupra caracteristicilor finale ale filmului.
Recent, a crescut interesul pentru producerea prin CVD a straturilor subțiri de SiC pentru utilizarea în sistemele MEMS/NEMS și în alte aplicații. Din păcate, metodele CVD convenționale necesită temperaturi cuprinse între 1400 și 1500 de grade Celsius - cu mult peste punctul de topire - ceea ce face dificilă producția.
Creșterea CVD a SiC poate genera contaminanți precum oxigenul și azotul din sursa de gaz de depunere. Acești adatomi (contaminanți) pot degrada filmele în timp, ducând la decolorare și la probleme de slabă aderență.
Depunerea fizică în vapori (PVD) este o alternativă la CVD care funcționează fără solvenți, eliminând impuritățile. Tehnologia PVD poate fi utilizată pentru a depune diverse metale, aliaje și dielectrici.
Tehnologia PVD a fost utilizată pentru a depune filme bipolare de bi2Te3 și bipolare de Sb2Te3 pe substraturi de polietilen tereftalat (PET) pentru a produce generatoare termoelectrice pliabile (f-TEG). Aceste filme depuse prin PVD prezintă o rezistență internă mai mică în comparație cu generatoarele termoelectrice pliabile construite folosind substraturi PET fără riduri.