合成碳化硅

碳化硅，通常被称为刚玉，是一种在工程领域广泛应用的硬质材料。凭借其卓越的强度、耐用性、化学惰性和耐热性，它成为恶劣环境和高性能发动机领域的理想材料选择。.

目前已开发出多种合成碳化硅的方法，例如阿切森法、莱利法和化学气相沉积法。.

化学气相沉积

碳化硅的化学气相沉积（CVD）是一种极为重要的制造工艺，广泛应用于半导体、催化剂和储能领域。该沉积方法利用受控化学反应产生的蒸气相，在高达1400℃的温度下将薄膜沉积到基底上；或在较低温度下以等离子体形式进行沉积，同时仍能保持较高的沉积速率。.

沉积的物质可以呈现各种形状和尺寸；其表面处理可以是光滑的，也可以是带有纹理的。通过改变沉积温度，还可以调节薄膜的性能。 沉积过程中使用了多种制备气体，例如硅烷（SiH₄）、二硅烷（Si₂H₆）和四氯硅烷，以及甲烷（CH₄）、 丙酮（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）、甲苯（C₇H₈）、己烷（C₆H₁₄）、氯甲烷（CH₃）、四氯化碳（CCl₄）等碳前驱体。 为了在等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等系统中获得最佳效果。.

PECVD 工艺涉及将气体在低于 1.3 kPa 的低压下输送至沉积室，在该处施加电能以激活气流，并产生由电子、离子和电子激发态粒子组成的辉光放电等离子体，该等离子体将反应物分子分解并汽化，随后与加热的基板发生反应，从而形成薄膜。.

沉积的β-SiC 能够透过光谱中可见光和红外光波长范围内的光。此外，其电电阻率必须达到或超过 500 欧姆·厘米·厘米；若能达到 1000 欧姆·厘米·厘米则更为理想。 这些特性使得通过体相合成制备的b-SiC脱颖而出，而通过该方法制备的b-SiC通常呈不透明状，并会吸收和散射这些波长范围内的光。本发明致力于开发一种制备合成b-SiC的方法，该材料既具有高透光性，又具备包括硬度在内的理想力学性能。 近年来，预测建模方法日益完善，这些方法能够描述从纯热力学和动力学描述到质量传输模型的各种输运现象和化学过程。.

热分解

合成碳化硅（SiC）所需的化学反应涉及高温，因此在进行这些反应时，必须在通风良好的场所操作，并采取谨慎措施。 在此过程中，还必须佩戴耐热手套和护目镜等适当的安全防护装备，并配备合适的通风橱和通风管道，以避免吸入反应过程中可能释放的任何蒸气。.

在约900摄氏度的温度下，将硅（Si）加热至其熔点（约905摄氏度）。 此时，碳化硅（SiC）开始分解为二氧化碳和氢气，这些气体随后与水分子反应，形成二氧化硅（SiO₂）等气态化合物。继续加热后，氢气与空气中的氧分子结合，形成固体硅氧碳化物SiO₂，该物质在干燥和固化后仍保留下来。.

碳化硅氧（SiC oxycarbide）在冷却后会形成坚硬的陶瓷块，可作为防弹装甲抵御子弹或任何其他有害物质的冲击。这种材料能提供可靠的防护。.

除了耐磨性之外，碳化硅还有许多其他用途，包括制造耐磨和耐腐蚀材料。例如，它可作为铝电解槽和铜熔炼炉内部的隔热材料，也可用于制造火箭喷嘴和燃气轮机叶片。.

与仅在某些陨石和刚玉矿床中以微量形式存在的天然矿物不同，全球市场上销售的大部分碳化硅（SiC）都是通过各种工艺人工合成的——尤其是当其被切割并作为莫桑石宝石出售时。.

合成碳化硅可通过热分解制得，其热稳定性使其成为对高温和高压要求较高的工业应用中的首选材料。.

与其他方法相比，热分解法能制备出更大的单晶，这些单晶随后可被切割和抛光，制成适用于工业用途的各种碳化硅。此外，热分解法还能根据原子层的堆叠方式，制备出不同多型结构的碳化硅；这些多型结构可分别归类为立方、六方或菱面体结构。.

氧化

碳化硅具有惰性，不会与大多数酸（盐酸、硫酸或氢氟酸）或碱发生反应。然而，在温度高于900℃时，它会在空气中氧化生成二氧化硅，这一过程被称为干氧化。 关于干氧化反应的动力学及模型已进行了广泛研究——其中最值得注意的是迪尔（Deal）和格罗夫（Grove）提出的模型，该模型利用两个常数（一个抛物线常数和一个线性常数）同时描述了扩散控制机制和表面控制过程（其中一个常数代表扩散控制机制，另一个常数代表表面过程）。[13]

碳化硅的氧化过程包括几个步骤。初始阶段是在氧-硅键位点形成羰基缺陷，并脱附二氧化碳。密度泛函理论（DFT）计算表明，该步骤的活化能为350 kJ/mol，温度越高反应速率越快；若存在氮化物，其反应速率则会下降。.

羰基缺陷氧化后，会形成一层氧化膜，该氧化膜作为进一步氧化的引发剂。随后，会生长出连续的球晶层，即所谓的方石英；这些球晶分散在非晶基体中，在局部增加了晶界数量，同时减缓了氧化速率。.

水晶石还可以通过其他工艺制备，包括莱利（Lely）的电炉法，该工艺将液态硅与碳相结合。水晶石材料可制成各种形状、尺寸和密度的产品，具有出色的热学和力学性能，且化学惰性强。.

石墨烯材料已得到广泛应用，特别是在燃气轮机领域，它取代了镍基超合金制成的叶片和导叶。由于石墨烯在室温下具有负温度系数，而在高温下则具有正温度系数，因此它是高温加热元件的绝佳材料选择；此外，还可以添加各种掺杂剂来提高其导电性。.

物理气相沉积

碳化硅（SiC）因其兼具理想的物理、化学、机械和电学性能，已成为一种极具吸引力的材料体系。 SiC具有宽且可调的带隙、低密度和高强度，再加上其导热性和抗冲击性，这些特性对其成功应用和相关研究做出了重大贡献[1]。SiC仍然是全球密集研究的焦点[2-3]。.

化学气相沉积（CVD）有望制备出光学透过率、纯度和电导率均优异的SiC，这些通过化学气相沉积工艺制备的SiC属于自支撑薄膜；然而，CVD工艺通常在高温下进行，这可能会影响薄膜质量。.

研究人员正在利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、电子回旋共振化学气相沉积、磁控溅射和脉冲激光沉积等方法，在开发用于制备SiC薄膜的低温CVD技术方面取得重大进展。 前驱体的选择、沉积过程中使用的气体混合物、沉积工艺条件以及基板温度，都会对最终薄膜的特性产生显著影响。.

最近，人们对用于MEMS/NEMS系统及其他应用的碳化硅（SiC）薄膜的化学气相沉积（CVD）制备越来越感兴趣。遗憾的是，传统的CVD方法需要约1400至1500摄氏度的温度——远高于其熔点——这使得制备过程变得困难。.

SiC的CVD生长过程中，沉积气体源可能会产生氧气和氮气等杂质。这些附着原子（杂质）可能会随着时间的推移导致薄膜性能下降，从而引发变色和附着力差等问题。.

物理气相沉积（PVD）是化学气相沉积（CVD）的一种替代方法，其工艺无需使用溶剂，从而消除了杂质。PVD技术可用于沉积各种金属、合金和介电材料。.

利用PVD技术，在聚对苯二甲酸乙二酯（PET）基板上沉积了双极性Bi₂Te₃和双极性Sb₂Te₃薄膜，以制备可折叠热电发电机（f-TEGs）。 与采用无褶皱聚对苯二甲酸乙二酯（PET）基板制成的可折叠热电发电机相比，这些通过PVD沉积的薄膜具有更低的内阻。.