Sintetizzazione di polvere di carburo di silicio ad elevata purezza

In che modo il SiC raggiunge la sua importanza nel campo dei semiconduttori? 

È principalmente dovuto alle sue eccezionali caratteristiche di ampio intervallo di banda, che vanno da 2,3 a 3,3 eV, che lo rendono un materiale ideale per la produzione di dispositivi elettronici ad alta frequenza e ad alta potenza. Questa caratteristica può essere paragonata alla costruzione di un'ampia autostrada per i segnali elettronici, garantendo un passaggio agevole per i segnali ad alta frequenza e gettando solide basi per un'elaborazione e una trasmissione dei dati più efficiente e rapida.

L'ampio gap di banda, compreso tra 2,3 e 3,3 eV, è un fattore chiave che lo rende ideale per dispositivi elettronici ad alta frequenza e ad alta potenza. È come se fosse stata asfaltata una vasta autostrada per i segnali elettronici, consentendo loro di viaggiare senza ostacoli, stabilendo così una solida base per una maggiore efficienza e velocità nella gestione e nel trasferimento dei dati.

La sua elevata conduttività termica, che può raggiungere da 3,6 a 4,8 W·cm⁻¹·K⁻¹. Ciò significa che può dissipare rapidamente il calore, fungendo da efficiente “motore” di raffreddamento per i dispositivi elettronici. Di conseguenza, il SiC offre prestazioni eccezionalmente buone nelle applicazioni più impegnative dei dispositivi elettronici che richiedono resistenza alle radiazioni e alla corrosione. Sia che si tratti di affrontare la sfida delle radiazioni dei raggi cosmici nell'esplorazione spaziale o di affrontare l'erosione corrosiva in ambienti industriali difficili, il SiC può funzionare in modo stabile e rimanere costante.

La sua elevata mobilità di saturazione della portante, che va da 1,9 a 2,6 × 10⁷ cm·s⁻¹. Questa caratteristica amplia ulteriormente il suo potenziale applicativo nel dominio dei semiconduttori, migliorando efficacemente le prestazioni dei dispositivi elettronici garantendo il movimento rapido ed efficiente degli elettroni all'interno dei dispositivi, fornendo così un forte supporto per ottenere funzionalità più potenti.

Come si è evoluta la storia dello sviluppo dei materiali cristallini SiC (carburo di silicio)? 

Guardare indietro allo sviluppo dei materiali cristallini SiC è come girare le pagine di un libro sul progresso scientifico e tecnologico. Già nel 1892 Acheson inventò un metodo per sintetizzarePolvere di SiCda silice e carbonio, avviando così lo studio dei materiali SiC. Tuttavia, la purezza e le dimensioni dei materiali SiC ottenuti a quel tempo erano limitate, proprio come un bambino in fasce, sebbene possedesse un potenziale infinito, necessitava ancora di crescita e perfezionamento continui.

Era il 1955 quando Lely coltivò con successo cristalli di SiC relativamente puri attraverso la tecnologia di sublimazione, segnando un'importante pietra miliare nella storia del SiC. Tuttavia, i materiali simili a piastre SiC ottenuti con questo metodo erano di piccole dimensioni e presentavano grandi variazioni di prestazioni, proprio come un gruppo di soldati irregolari, che trovano difficile formare una forte forza combattente in campi di applicazione di fascia alta.

Fu tra il 1978 e il 1981 quando Tairov e Tsvetkov svilupparono il metodo Lely introducendo cristalli seme e progettando attentamente i gradienti di temperatura per controllare il trasporto del materiale. Questa mossa innovativa, ora nota come metodo Lely migliorato o metodo di sublimazione assistita dai semi (PVT), ha dato il via a una nuova alba per la crescita dei cristalli di SiC, migliorando significativamente il controllo della qualità e delle dimensioni dei cristalli di SiC e ponendo solide basi per il diffusa applicazione del SiC in vari campi.

Quali sono gli elementi fondamentali nella crescita dei singoli cristalli di SiC? 

La qualità della polvere di SiC gioca un ruolo cruciale nel processo di crescita dei singoli cristalli di SiC. Quando si utilizzaPolvere di β-SiCper far crescere i singoli cristalli SiC, può verificarsi una transizione di fase in α-SiC. Questa transizione influenza il rapporto molare Si/C nella fase vapore, proprio come un delicato atto di bilanciamento chimico; una volta interrotta, la crescita dei cristalli può essere influenzata negativamente, in modo simile all'instabilità di una fondazione che porta all'inclinazione di un intero edificio.

Provengono principalmente dalla polvere di SiC e tra loro esiste una stretta relazione lineare. In altre parole, maggiore è la purezza della polvere, migliore è la qualità del monocristallo. Pertanto, la preparazione della polvere di SiC ad elevata purezza diventa la chiave per sintetizzare singoli cristalli di SiC di alta qualità. Ciò ci impone di controllare rigorosamente il contenuto di impurità durante il processo di sintesi delle polveri, garantendo che ogni "molecola di materia prima" soddisfi standard elevati per fornire la migliore base per la crescita dei cristalli.

Quali sono i metodi per sintetizzarepolvere di SiC di elevata purezza? 

Attualmente, esistono tre approcci principali per sintetizzare polvere di SiC ad elevata purezza: metodi in fase vapore, fase liquida e fase solida.

Controlla in modo intelligente il contenuto di impurità nella fonte di gas, compresi i metodi CVD (Chemical Vapour Deposition) e al plasma. CVD utilizza la "magia" delle reazioni ad alta temperatura per ottenere polvere SiC ultrafine e di elevata purezza. Ad esempio, utilizzando (CH₃)₂SiCl₂ come materia prima, la polvere di nano carburo di silicio ad elevata purezza e basso contenuto di ossigeno viene preparata con successo in una "fornace" a temperature comprese tra 1100 e 1400 ℃, proprio come quando si scolpiscono meticolosamente squisite opere d'arte in il mondo microscopico. I metodi al plasma, d’altro canto, si basano sulla potenza delle collisioni di elettroni ad alta energia per ottenere una sintesi di elevata purezza della polvere di SiC. Utilizzando il plasma a microonde, il tetrametilsilano (TMS) viene utilizzato come gas di reazione per sintetizzare polvere di SiC ad elevata purezza sotto l'"impatto" di elettroni ad alta energia. Sebbene il metodo in fase vapore possa raggiungere un’elevata purezza, il suo costo elevato e la bassa velocità di sintesi lo rendono simile a un artigiano altamente qualificato che carica molto e lavora lentamente, rendendo difficile soddisfare le esigenze della produzione su larga scala.

Il metodo sol-gel si distingue nel metodo in fase liquida, in grado di sintetizzare elevata purezzaPolvere di SiC. Utilizzando un sol di silicio industriale e una resina fenolica idrosolubile come materie prime, viene effettuata una reazione di riduzione carbotermica ad alte temperature per ottenere infine la polvere di SiC. Tuttavia, il metodo in fase liquida deve affrontare anche i problemi legati ai costi elevati e a un processo di sintesi complesso, proprio come una strada piena di spine che, sebbene possa raggiungere l’obiettivo, è piena di sfide.

Attraverso questi metodi, i ricercatori continuano a impegnarsi per migliorare la purezza e la resa della polvere di SiC, promuovendo la tecnologia di crescita dei singoli cristalli di carburo di silicio a livelli più elevati.

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