Επειδή η σκόνη SiC παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη μονοκρυστάλλων, τα τελευταία χρόνια, η παρασκευή σκόνης SiC υψηλής{{0}καθαρότητας έχει γίνει σταδιακά ένα hotspot έρευνας στον τομέα της ανάπτυξης μονοκρυστάλλου SiC.
Υπάρχουν κυρίως τρεις μέθοδοι για τη σύνθεση σκόνης SiC: η πρώτη είναι η μέθοδος στερεάς-φάσης, η οποία περιλαμβάνει κυρίως τη μέθοδο αναγωγής του άνθρακα, τη μέθοδο μηχανικής κραματοποίησης και τη μέθοδο σύνθεσης αυτοδιάδοσης σε υψηλές{{2} θερμοκρασίες. η δεύτερη είναι η μέθοδος υγρής- φάσης, οι πιο αντιπροσωπευτικές από τις οποίες είναι η μέθοδος κολλοειδούς-γέλης και η μέθοδος πυρόλυσης πολυμερούς. και η τρίτη είναι η μέθοδος αέριας-φάσης, οι πιο αντιπροσωπευτικές από τις οποίες είναι η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) και η μέθοδος πλάσματος.
Μέθοδος στερεάς-φάσης
Μέθοδος αναγωγής καρβοθερμικής
Η μέθοδος αναγωγής του άνθρακα χρησιμοποιεί συνήθως σκόνη πυριτίου ως πηγή πυριτίου και αιθάλη και οπτάνθρακα ως πηγή άνθρακα. Η πηγή άνθρακα και η πηγή πυριτίου αναμειγνύονται ομοιόμορφα σε μια ορισμένη αναλογία και στη συνέχεια θερμαίνονται, και αφού διατηρηθούν σε μια ορισμένη θερμοκρασία για ένα χρονικό διάστημα, σχηματίζεται σκόνη καρβιδίου του πυριτίου. Λόγω της απλής διαδικασίας και του χαμηλού κόστους πρώτων υλών, είναι σήμερα η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη βιομηχανική παραγωγή καρβιδίου του πυριτίου.
Προς το παρόν, η παρασκευή σκόνης SiC με την παραδοσιακή μέθοδο ανθρακικής αναγωγής εξακολουθεί να υποφέρει από προβλήματα όπως χαμηλή καθαρότητα σκόνης, υψηλή περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες, υψηλή κατανάλωση ενέργειας και ανεπαρκή λεπτότητα της σκόνης. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει πλεονεκτήματα όπως φθηνές πρώτες ύλες, απλή λειτουργία και ώριμη τεχνολογία, επομένως εξακολουθεί να διατηρεί κυρίαρχη θέση στην παρασκευή καρβιδίου του πυριτίου χαμηλής-ποιότητας.
Μέθοδος Μηχανικής Κραματοποίησης
Η παρασκευή σκόνης καρβιδίου του πυριτίου με μηχανικό κράμα χρησιμοποιεί συνήθως την ενέργεια που παράγεται από την άλεση με σφαίρα υψηλής{0}ενέργειας για την προώθηση της αμοιβαίας σύγκρουσης και της διάχυσης μεταξύ των αντιδρώντων και για το σχηματισμό του επιθυμητού προϊόντος. Κατά τη διαδικασία άλεσης με μπίλια, κάτω από την εξαιρετικά υψηλή τοπική πρόσκρουση και συμπίεση που δημιουργείται από την-υψηλή{2}}ταχύτητα περιστροφής των σφαιρών φρεζαρίσματος υψηλής-ενέργειας, οι πρόσφατα εκτεθειμένες επιφάνειες σωματιδίων συνδυάζονται μεταξύ τους. Το φρεζάρισμα με σφαίρα υψηλής ενέργειας-αναγκάζει τα σωματίδια να δημιουργήσουν μεγάλο αριθμό ελαττωμάτων. Καθοδηγούμενα από ελεύθερη ενέργεια, τα άτομα μεταξύ των επιφανειών των σωματιδίων διαχέονται το ένα στο άλλο, σχηματίζοντας έτσι μια νέα φάση.
Η μέθοδος μηχανικής κραματοποίησης έχει πλεονεκτήματα όπως η απλή τεχνολογία παραγωγής, το χαμηλό κόστος και η ικανότητα επίτευξης μαζικής παραγωγής σκόνης καρβιδίου του πυριτίου. Ωστόσο, επειδή η σύνθεση της σκόνης SiC με μηχανικό κράμα επιτυγχάνεται μέσω τυχαίας κίνησης σύγκρουσης, τα σωματίδια του προϊόντος έχουν συνήθως ευρεία κατανομή μεγέθους σωματιδίων και η τεχνολογία ταξινόμησης εξακολουθεί να απαιτείται για την εξέταση του υλικού. Ταυτόχρονα, κατά τη διαδικασία άλεσης με σφαιρίδια, εισάγονται πολύ εύκολα ακαθαρσίες από τα μέσα άλεσης και τα βάζα άλεσης και επειδή η σκόνη πρώτης ύλης συνήθως αντιδρά μέσω αντιδράσεων επιφάνειας{-σε-επιφανείας, είναι πιθανό να προκύψει ατελής αντίδραση. Συνοπτικά, το μηχανικό κράμα δεν είναι ιδανική μέθοδος για τη σύνθεση σκόνης SiC υψηλής{{5}καθαρότητας.
Μέθοδος σύνθεσης υψηλής-Αυτοδιάδοσης-Θερμοκρασίας
Η μέθοδος σύνθεσης αυτοδιάδοσης-υψηλής- θερμοκρασίας ανήκει στη μέθοδο σύνθεσης στερεάς-φάσης. Σε αυτή τη μέθοδο, υπό την προϋπόθεση μιας εξωτερικής πηγής θέρμανσης, προστίθενται ενεργοποιητές έτσι ώστε η χημική αντίδραση των αντιδρώντων να προχωρά αυθόρμητα και συνεχώς. Ωστόσο, η προσθήκη ενεργοποιητών αναπόφευκτα εισάγει άλλες ακαθαρσίες. Προκειμένου να διασφαλιστεί η καθαρότητα του προϊόντος, οι ερευνητές επιλέγουν να αυξήσουν τη θερμοκρασία της αντίδρασης και να συνεχίσουν τη θέρμανση για να διατηρήσουν την αντίδραση. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται μέθοδος σύνθεσης βελτιωμένης-αυτό-διάδοσης υψηλής-θερμοκρασίας.
Η βελτιωμένη μέθοδος σύνθεσης υψηλής-αυτοδιάδοσης-υψηλής θερμοκρασίας έχει απλή διαδικασία προετοιμασίας και υψηλή απόδοση σύνθεσης και χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία για την παραγωγή σκόνης SiC υψηλής-καθαρότητας. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί στερεές πηγές Si και πηγές C ως πρώτες ύλες, με αποτέλεσμα να αντιδρούν συνεχώς σε υψηλή θερμοκρασία 1400-2000 βαθμών C και τελικά να λαμβάνεται σκόνη SiC υψηλής-καθαρότητας. Προς το παρόν, το επίκεντρο της έρευνας της βελτιωμένης μεθόδου αυτο-πολλαπλασιαστικής σύνθεσης για την παρασκευή σκόνης SiC είναι ο τρόπος μείωσης της περιεκτικότητας σε στοιχείο Ν στη σκόνη SiC.
Υγρή-Μέθοδος φάσης
Μέθοδος Sol-Gel
Προς το παρόν, μεταξύ των μεθόδων υγρής-φάσης, μόνο η μέθοδος sol-gel μπορεί να συνθέσει σκόνη SiC υψηλής-καθαρότητας. Η διαδικασία παρασκευής του είναι η διάλυση ανόργανων αλάτων ή αλκοξειδίων σε έναν διαλύτη (νερό ή αλκοόλη) για να σχηματιστεί ένα ομοιόμορφο διάλυμα, λαμβάνοντας ένα ομοιόμορφο διάλυμα, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε γέλη μέσω ξήρανσης ή αφυδάτωσης και στη συνέχεια υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία για να ληφθεί η απαιτούμενη εξαιρετικά λεπτή σκόνη.
Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου που συντέθηκε με τη μέθοδο sol{0}}gel χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για τη σύντηξη κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου. Με τη συνεχή βελτίωση της διαδικασίας, η καθαρότητα της συντιθέμενης σκόνης συνέχισε επίσης να αυξάνεται. Επί του παρόντος, η σκόνη SiC που παρασκευάζεται με τη μέθοδο sol{3}}gel μπορεί ήδη να χρησιμοποιηθεί για ανάπτυξη μονοκρυστάλλων. Η μέθοδος sol-gel μπορεί να παρασκευάσει υψηλής-καθαρότητας, εξαιρετικά λεπτή σκόνη SiC, αλλά το κόστος παρασκευής είναι σχετικά υψηλό και η διαδικασία σύνθεσης είναι πολύπλοκη, επομένως δεν είναι κατάλληλη για βιομηχανική παραγωγή.
Μέθοδος πυρόλυσης πολυμερούς
Η μέθοδος πυρόλυσης πολυμερών παράγει κυρίως σκόνη SiC με αποσύνθεση οργανικών πολυμερών σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτή η μέθοδος σύνθεσης χωρίζεται κυρίως σε δύο κατηγορίες: η μία είναι η θέρμανση ενός προδρόμου για να υποβληθεί σε αντίδραση αποσύνθεσης και να απελευθερωθούν μικρά μονομερή, σχηματίζοντας SiO2 και C, και στη συνέχεια παρασκευή σκόνης SiC μέσω αντίδρασης καρβοθερμικής αναγωγής. Το άλλο θερμαίνει έναν πρόδρομο για την απελευθέρωση ενός μονομερούς σκελετού Si-C, σχηματίζοντας τελικά σκόνη SiC. Υπήρξαν πολλές σχετικές μελέτες για τη μέθοδο της πυρόλυσης πολυμερών στη δεκαετία του 1990, αλλά τα τελευταία χρόνια λίγοι σχετικοί ερευνητές την ανέφεραν, κυρίως λόγω του χαμηλού ποσοστού μετατροπής προϊόντων, του πολύ υψηλού κόστους πρώτων υλών και της σχετικά μεγάλης ρύπανσης.
Μέθοδος αέριας-Φάσης
Μέθοδος εναπόθεσης χημικών ατμών (CVD)
Η μέθοδος CVD λαμβάνει εξαιρετικά λεπτή,{0}}υψηλής καθαρότητας σκόνη Si μέσω της αντίδρασης αερίων σε υψηλή{1} θερμοκρασία. Η πηγή Si επιλέγεται γενικά από SiH4 και SiCl4, κ.λπ., και η πηγή C επιλέγεται γενικά από CH4, C2H2, και CCl4, κ.λπ., ενώ αέρια όπως (CH3)2SiCl2 και Si(CH3)4 μπορούν να παρέχουν και την πηγή Si και την πηγή C ταυτόχρονα. Η καθαρότητα αυτών των αερίων είναι πάνω από 99,9999%.
Επί του παρόντος, η μέθοδος CVD χρησιμοποιεί κυρίως πηγές οργανικού αερίου ως πρώτες ύλες. Αυτή η μέθοδος απαιτεί ακριβή έλεγχο του ρυθμού ροής εισαγωγής του εξοπλισμού και έχει εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις για την καθαρότητα των πηγών αερίου σύνθεσης και των εσωτερικών μερών γραφίτη. Ταυτόχρονα, επειδή υπάρχουν πολλά παρα-προϊόντα της χημικής αντίδρασης, παράγονται πολύ εύκολα διαβρωτικά και τοξικά αέρια, όπως τα χλωρίδια, θέτοντας υψηλές απαιτήσεις στους χειριστές και τον εξοπλισμό και επομένως το κόστος παραγωγής παραμένει επίσης υψηλό. Επιπλέον, η σκόνη που συντίθεται με αυτή τη μέθοδο είναι εξαιρετικά λεπτή σκόνη νανοκλίμακας, η οποία δεν είναι εύκολο να συλλεχθεί. Επίσης, λόγω των περιορισμών της ίδιας της εναπόθεσης χημικών ατμών, ο ρυθμός σύνθεσης είναι σχετικά αργός και επί του παρόντος δεν μπορεί να επιτύχει μεγάλης κλίμακας-παραγωγή σκόνης SiC υψηλής-καθαρότητας.
Μέθοδος πλάσματος
Η μέθοδος πλάσματος είναι να διοχετεύονται τα αέρια της αντίδρασης σε ένα δοχείο πλάσματος που διεγείρεται από μια πηγή ενέργειας ραδιοσυχνότητας. Τα αέρια αντιδρούν μεταξύ τους σε συγκρούσεις με ηλεκτρόνια υψηλής-ταχύτητας, και τελικά λαμβάνεται σκόνη SiC υψηλής-καθαρότητας. Οι πηγές αερίου που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο πλάσματος είναι οι ίδιες με αυτές στη μέθοδο CVD και η καθαρότητα αερίου είναι επίσης πάνω από 99,9999%.
Η μέθοδος πλάσματος μπορεί να συνθέσει σκόνη SiC υψηλής-καθαρότητας και η κατανομή μεγέθους σωματιδίων σκόνης είναι ομοιόμορφη, χωρίς προβλήματα ρύπανσης. Ωστόσο, το μέγεθος των σωματιδίων της συντιθέμενης σκόνης είναι πολύ μικρό για να καλύψει τις απαιτήσεις της ανάπτυξης ενός κρυστάλλου και απαιτείται περαιτέρω επεξεργασία πριν χρησιμοποιηθεί για ανάπτυξη κρυστάλλων. Επιπλέον, ο εξοπλισμός έχει μικρή διάρκεια ζωής και υψηλό κόστος.