Sintetični silicijev karbid

Silicijev karbid, pogosteje imenovan korund, je trd material, ki se pogosto uporablja v inženirskih aplikacijah. Zaradi svoje izjemne trdnosti, trajnosti, kemične inertnosti in toplotne odpornosti je odličen material za uporabo v zahtevnih okoljih in visokozmogljivih motorjih.

Za sintezo SiC je bilo razvitih več metod, kot so Achesonova metoda, Lelyjev postopek in kemično nanašanje iz hlapov.

Kemično nanašanje iz par

CVD silicijevega karbida je neprecenljiv proizvodni postopek, ki se uporablja za polprevodnike, katalizo in shranjevanje energije. Ta metoda nanašanja uporablja fazo hlapov nadzorovanih kemičnih reakcij za nanašanje tankih plasti na podlage pri temperaturah do 1400 stopinj Celzija ali v obliki plazme pri nižjih temperaturah z visoko hitrostjo nanašanja.

Deponirani material je lahko različnih oblik in velikosti; njegova površina je lahko gladka ali teksturirana. Lastnosti filma se lahko prilagodijo tudi s spreminjanjem temperature nanašanja. Med nanašanjem se uporabljajo različni pripravljalni plini, kot so silan (SiH4), disilan (Si2H6) in tetraklorosilan, skupaj z ogljikovimi predhodniki, kot so metan (CH4), aceton (C2H6), propan (C3H8), metin/toluen/toluen (C7H8), heksan (C6H14), metilklorid (CH3) ogljikov tetraklorid (CCl4) itd. Za optimalne rezultate v sistemih PECVD, kot so sistemi za nanašanje kemičnih par s pomočjo plazme (PECVD).

PECVD vključuje dovajanje plina pod nizkim tlakom v komoro za nanašanje pod tlakom manj kot 1,3 kPa, kjer se uporabi električna energija, da se aktivira njegov tok in ustvari plazma z žarilno razelektritvijo, sestavljena iz elektronov, ionov in elektronsko vzbujenih vrst, ki razbije in upari molekule reagentov, preden reagira z ogreto podlago in tvori tanke plasti.

Deponirani b-SiC lahko prevaja svetlobo v vidnem in infrardečem območju valovne dolžine spektra. Poleg tega mora njegova električna upornost dosegati ali presegati 500 Ohm-cm-cm; 1000 Ohm-cm-cm bi bilo še bolje. Zaradi teh lastnosti izstopa b-SiC, proizveden s sintezo v razsutem stanju, ki vedno ostaja neprosojen ter absorbira in razpršuje svetlobo v teh valovnih dolžinah. Pričujoči izum se osredotoča na razvoj postopka za proizvodnjo sintetičnega b-SiC, ki je zelo prozoren in ima zaželene mehanske lastnosti, vključno s trdoto. Vedno bolj se razvijajo pristopi napovednega modeliranja, ki predstavljajo transportne pojave in kemijo, od čistih termodinamičnih in kinetičnih opisov do modelov masnega transporta.

Toplotna razgradnja

Kemijske reakcije, potrebne za ustvarjanje sintetičnega silicijevega karbida (SiC), potekajo pri visokih temperaturah, zato jih je treba izvajati previdno v dobro prezračevanem prostoru. Med tem postopkom je treba nositi tudi ustrezno varnostno opremo, kot so toplotno odporne rokavice in zaščitna očala, ter ustrezne digestorije in prezračevalne kanale, da ne bi vdihavali hlapov, ki se lahko sproščajo med reakcijo.

Pri približno 900 stopinjah Celzija se silicij (Si) segreva do tališča pri približno 905 stopinjah Celzija. Na tej točki začne SiC razpadati na ogljikov dioksid in vodikove pline, ki nato reagirajo z molekulami vode in tvorijo plinaste spojine silicijevega dioksida, kot je SiO2. Pri nadaljnjem segrevanju se vodik veže z molekulami kisika, ki so prisotne v zraku, in nastane trdni silicijev oksikarbid SiO2, ki ostane po sušenju in strjevanju.

Trdna snov oksikarbid SiC ob ohlajanju tvori trde keramične bloke, ki zagotavljajo neprebojni oklep pred kroglami ali drugimi škodljivimi snovmi. Ta material zagotavlja zanesljivo zaščito.

Silicijev oksikarbid se poleg odpornosti proti obrabi uporablja tudi za izdelavo materialov, odpornih proti obrabi in koroziji. Uporablja se lahko na primer kot izolacijski material v aluminijastih elektrolitskih rezervoarjih in pečeh za taljenje bakra ter za izdelavo raketnih šob in lopatic za plinske turbine.

V nasprotju z naravnim mineralom, ki se v sledovih pojavlja le v nekaterih meteoritih in nahajališčih korunda, je večina SiC, ki se prodaja po vsem svetu, proizvedena sintetično z različnimi postopki - zlasti ko je brušen in prodan kot dragulj Moissanit.

Sintetični silicijev karbid je mogoče proizvesti s termično razgradnjo, zaradi svoje toplotne stabilnosti pa je to material, ki je primeren za industrijske aplikacije, ki zahtevajo višje ravni toplote in napetosti.

Pri termični razgradnji nastanejo večji monokristali kot pri drugih metodah, ki jih je mogoče rezati in polirati v želene vrste silicijevega karbida za industrijsko uporabo. Poleg tega toplotna razgradnja omogoča nastanek različnih poltipov silicijevega karbida, ki so odvisni od tega, kako se atomske plasti zlagajo; te sorte se lahko razvrstijo v kubično, heksagonalno ali romboedrično obliko.

Oksidacija

Silicijev karbid je inerten in ne reagira z večino kislin (klorovodikovo, žveplovo ali fluorovodikovo) ali baz. Vendar pri temperaturah nad 900 stopinj Celzija na zraku oksidira, pri čemer nastane SiO2, kar je znano kot suha oksidacija. Kinetika in modeli suhe oksidacije so bili obsežno raziskani - predvsem model Deala in Grova, ki opisuje tako difuzijsko nadzorovane mehanizme kot površinsko nadzorovane procese hkrati z uporabo dveh konstant - ene parabolične in ene linearne konstante (kjer ena označuje difuzijsko nadzorovane mehanizme, druga pa površinske procese). [13]

Oksidiranje silicijevega karbida vključuje več korakov. V začetni fazi nastane karbonilni defekt na mestu vezi kisik-Si in se desorbira ogljikov dioksid. Izračuni DFT kažejo, da ima ta korak aktivacijsko energijo 350 kJ/mol in poteka hitreje pri višjih temperaturah; njegova hitrost se zmanjša, če so prisotni nitridi.

Po oksidaciji karbonilnih napak nastane oksidni film, ki služi kot iniciator za nadaljnjo oksidacijo. Sledi rast neprekinjenih plasti sferulitnih kristalov, znanih kot kristobalit, katerih disperzija v amorfni matrici lokalno poveča meje zrn, hkrati pa upočasni hitrost oksidacije.

Kristobalit se lahko proizvaja tudi z drugimi postopki, vključno z Lelyjevim postopkom v električni peči, ki združuje tekoči silicij in ogljik. Kristobalitni material je mogoče izdelati v različnih oblikah, velikostih in gostotah z impresivnimi toplotnimi in mehanskimi lastnostmi ter kemično inertnostjo.

Material, izdelan iz grafena, se pogosto uporablja, zlasti v plinskih turbinah, kjer nadomešča lopatice in lopatice iz nikljeve superzlitine. Zaradi negativnega temperaturnega koeficienta pri sobni temperaturi in pozitivnega pri višjih temperaturah je grafen odličen material za visokotemperaturne grelne elemente, za izboljšanje električne prevodnosti pa mu lahko dodajamo različne dopante.

Fizikalno nanašanje hlapov

Silicijev karbid (SiC) je zaradi kombinacije zaželenih fizikalnih, kemijskih, mehanskih in električnih lastnosti postal privlačen materialni sistem. Široka nastavljiva pasovna vrzel, nizka gostota in trdnost v kombinaciji s toplotno prevodnostjo in odpornostjo na udarce so bistveno prispevali k uspehu in raziskavam SiC [1]. SiC ostaja v središču intenzivnih raziskav po vsem svetu [2-3].

Kemično nanašanje iz hlapov (CVD) obeta proizvodnjo SiC z vrhunsko optično prepustnostjo, čistostjo in električno upornostjo, ki so samostojne tanke plasti, izdelane s postopki kemičnega nanašanja iz hlapov; vendar postopki CVD običajno potekajo pri visokih temperaturah, kar lahko ogrozi kakovost plasti.

Raziskovalci napredujejo pri razvoju nizkotemperaturnih tehnik CVD za proizvodnjo plasti SiC, pri čemer kot metode uporabljajo plazemsko kemično nanašanje iz hlapov (PECVD), CVD z elektronsko ciklotronsko resonanco, magnetronsko razprševanje in pulzno lasersko nanašanje. Izbira predhodnikov, mešanica plinov, ki se uporablja med postopkom nanašanja, in temperatura podlage lahko pomembno vplivajo na končne lastnosti filma.

V zadnjem času se povečuje zanimanje za proizvodnjo tankih plasti SiC s CVD za uporabo v sistemih MEMS/NEMS in drugih aplikacijah. Na žalost običajne metode CVD zahtevajo temperaturo okoli 1400 do 1500 stopinj Celzija - kar je precej nad temperaturo taljenja - kar otežuje proizvodnjo.

Pri rasti SiC s CVD lahko iz vira plina za nanašanje nastajajo onesnaževala, kot sta kisik in dušik. Ti adatomi (onesnaževalci) lahko sčasoma poslabšajo filme, kar vodi do razbarvanja in slabega oprijema.

Fizikalno nanašanje iz pare (PVD) je alternativa CVD, ki deluje brez topil, kar odpravlja nečistoče. S tehnologijo PVD je mogoče nanesti različne kovine, zlitine in dielektrike.

Tehnologija PVD je bila uporabljena za nanašanje bipolarnih filmov bi2Te3 in bipolarnih filmov Sb2Te3 na podlage iz polietilen tereftalata (PET) za izdelavo zložljivih termoelektričnih generatorjev (f-TEG). Te PVD-odložene plasti imajo manjšo notranjo upornost v primerjavi z zložljivimi termoelektričnimi generatorji, izdelanimi z uporabo brezgubnih podlag PET.