Sintetizando pó de carboneto de silício de alta pureza

Como o SiC alcança destaque no campo de semicondutores? 

É principalmente devido às suas excepcionais características de banda larga, variando de 2,3 a 3,3 eV, que o tornam um material ideal para a fabricação de dispositivos eletrônicos de alta frequência e alta potência. Esta característica pode ser comparada à construção de uma ampla rodovia para sinais eletrônicos, garantindo a passagem suave de sinais de alta frequência e estabelecendo uma base sólida para processamento e transmissão de dados mais eficientes e rápidos.

Seu amplo bandgap, variando de 2,3 a 3,3 eV, é um fator chave, tornando-o ideal para dispositivos eletrônicos de alta frequência e alta potência. É como se uma vasta estrada tivesse sido pavimentada para sinais electrónicos, permitindo-lhes viajar sem impedimentos, estabelecendo assim uma base robusta para maior eficiência e velocidade no tratamento e transferência de dados.

Sua alta condutividade térmica, que pode atingir 3,6 a 4,8 W·cm⁻¹·K⁻¹. Isso significa que ele pode dissipar rapidamente o calor, agindo como um “motor” de resfriamento eficiente para dispositivos eletrônicos. Consequentemente, o SiC tem um desempenho excepcionalmente bom em aplicações exigentes de dispositivos eletrônicos que exigem resistência à radiação e à corrosão. Seja enfrentando o desafio da radiação de raios cósmicos na exploração espacial ou lidando com a erosão corrosiva em ambientes industriais agressivos, o SiC pode operar de forma estável e permanecer firme.

Sua alta mobilidade de saturação de portadores, variando de 1,9 a 2,6 × 10⁷ cm·s⁻¹. Este recurso amplia ainda mais o seu potencial de aplicação no domínio dos semicondutores, melhorando efetivamente o desempenho dos dispositivos eletrônicos, garantindo o movimento rápido e eficiente dos elétrons dentro dos dispositivos, fornecendo assim um forte suporte para a obtenção de funcionalidades mais poderosas.

Como evoluiu a história do desenvolvimento de materiais cristalinos de SiC (carboneto de silício)? 

Olhar para trás, para o desenvolvimento dos materiais cristalinos de SiC, é como virar as páginas de um livro sobre progresso científico e tecnológico. Já em 1892, Acheson inventou um método para sintetizarSiC em póa partir de sílica e carbono, iniciando assim o estudo de materiais de SiC. No entanto, a pureza e o tamanho dos materiais de SiC obtidos naquela época eram limitados, assim como uma criança em panos, embora possuísse um potencial infinito, ainda precisava de crescimento e refinamento contínuos.

Foi em 1955 que a Lely cultivou com sucesso cristais de SiC relativamente puros através da tecnologia de sublimação, marcando um marco importante na história do SiC. No entanto, os materiais semelhantes a placas de SiC obtidos por este método eram pequenos em tamanho e apresentavam grandes variações de desempenho, muito parecidos com um grupo de soldados desiguais, tendo dificuldade em formar uma força de combate forte em campos de aplicação de ponta.

Foi entre 1978 e 1981 que Tairov e Tsvetkov desenvolveram o método de Lely, introduzindo sementes de cristais e projetando cuidadosamente gradientes de temperatura para controlar o transporte de material. Este movimento inovador, agora conhecido como método Lely melhorado ou método de sublimação assistida por sementes (PVT), trouxe um novo amanhecer para o crescimento de cristais de SiC, melhorando significativamente a qualidade e o controle de tamanho dos cristais de SiC, e estabelecendo uma base sólida para o aplicação generalizada de SiC em vários campos.

Quais são os elementos principais no crescimento dos monocristais de SiC? 

A qualidade do pó de SiC desempenha um papel crucial no processo de crescimento dos monocristais de SiC. Ao usarPó de β-SiCpara crescer monocristais de SiC, pode ocorrer uma transição de fase para α-SiC. Essa transição afeta a razão molar Si/C na fase de vapor, como um delicado ato de equilíbrio químico; uma vez interrompido, o crescimento do cristal pode ser afetado negativamente, semelhante à instabilidade de uma fundação que leva à inclinação de um edifício inteiro.

Eles vêm principalmente do pó de SiC, existindo uma estreita relação linear entre eles. Em outras palavras, quanto maior a pureza do pó, melhor será a qualidade do monocristal. Portanto, a preparação de pó de SiC de alta pureza torna-se a chave para sintetizar cristais únicos de SiC de alta qualidade. Isto exige que controlemos rigorosamente o teor de impurezas durante o processo de síntese do pó, garantindo que cada “molécula de matéria-prima” atenda a padrões elevados para fornecer a melhor base para o crescimento do cristal.

Quais são os métodos para sintetizarpó de SiC de alta pureza? 

Atualmente, existem três abordagens principais para sintetizar pó de SiC de alta pureza: métodos de fase vapor, fase líquida e fase sólida.

Ele controla de forma inteligente o conteúdo de impurezas na fonte de gás, incluindo CVD (Deposição de Vapor Químico) e métodos de plasma. A CVD utiliza a "mágica" das reações de alta temperatura para obter pó de SiC ultrafino e de alta pureza. Por exemplo, usando (CH₃)₂SiCl₂ como matéria-prima, o pó de nanocarboneto de silício de alta pureza e baixo teor de oxigênio é preparado com sucesso em um "forno" em temperaturas que variam de 1100 a 1400 ℃, muito parecido com a escultura meticulosa de obras de arte requintadas em o mundo microscópico. Os métodos de plasma, por outro lado, dependem do poder de colisões de elétrons de alta energia para alcançar a síntese de alta pureza do pó de SiC. Usando plasma de microondas, o tetrametilsilano (TMS) é usado como gás de reação para sintetizar pó de SiC de alta pureza sob o "impacto" de elétrons de alta energia. Embora o método da fase vapor possa atingir alta pureza, seu alto custo e lenta taxa de síntese o tornam semelhante a um artesão altamente qualificado que cobra muito e trabalha lentamente, dificultando o atendimento às demandas da produção em larga escala.

O método sol-gel se destaca no método em fase líquida, capaz de sintetizar produtos de alta purezaSiC em pó. Usando sol de silício industrial e resina fenólica solúvel em água como matéria-prima, uma reação de redução carbotérmica é realizada em altas temperaturas para obter pó de SiC. Porém, o método da fase líquida também enfrenta as questões do alto custo e de um processo de síntese complexo, muito parecido com uma estrada cheia de espinhos, que, embora possa atingir o objetivo, é cheia de desafios.

Através desses métodos, os pesquisadores continuam a se esforçar para melhorar a pureza e o rendimento do pó de SiC, promovendo a tecnologia de crescimento de monocristais de carboneto de silício a níveis mais elevados.

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