Debido a que el polvo de SiC desempeña un papel importante en el crecimiento de monocristales, en los últimos años, la preparación de polvo de SiC de alta-pureza se ha convertido gradualmente en un punto de investigación en el campo del crecimiento de monocristales de SiC.
Existen principalmente tres métodos para sintetizar polvo de SiC: el primero es el método de fase sólida-, que incluye principalmente el método de reducción carbotérmica, el método de aleación mecánica y el método de síntesis auto-a alta-temperatura; el segundo es el método de fase líquida-, siendo los más representativos el método de sol-gel y el método de pirólisis de polímeros; y el tercero es el método en fase gaseosa-, siendo los más representativos la deposición química de vapor (CVD) y el método del plasma.
Método de fase-sólida
Método de reducción carbotérmica
El método de reducción carbotérmica suele utilizar polvo de sílice como fuente de silicio y negro de humo y coque de petróleo como fuente de carbono. La fuente de carbono y la fuente de silicio se mezclan uniformemente en una proporción determinada y luego se calientan y, después de mantenerlas a una temperatura determinada durante un período de tiempo, se forma polvo de carburo de silicio. Debido a su proceso simple y bajo costo de materia prima, actualmente es el método más utilizado para la producción industrial de carburo de silicio.
En la actualidad, la preparación de polvo de SiC mediante el método tradicional de reducción carbotérmica todavía adolece de problemas tales como baja pureza del polvo, alto contenido de impurezas, alto consumo de energía y finura insuficiente del polvo. Sin embargo, este método tiene ventajas como materias primas baratas, operación simple y tecnología madura, por lo que aún mantiene una posición dominante en la preparación de carburo de silicio de baja-calidad.
Método de aleación mecánica
La preparación de polvo de carburo de silicio mediante aleación mecánica suele utilizar la energía generada por el molino de bolas de alta-energía para promover la colisión mutua y la difusión entre reactivos y formar el producto deseado. Durante el proceso de molienda de bolas, bajo el impacto local extremadamente alto y la compresión generados por la rotación de alta-velocidad de bolas de molienda de alta-energía, las superficies de partículas recién expuestas se combinan entre sí. El molino de bolas de alta-energía hace que las partículas generen una gran cantidad de defectos. Impulsados por la energía libre, los átomos entre las superficies de las partículas se difunden entre sí, formando así una nueva fase.
El método de aleación mecánica tiene ventajas como una tecnología de producción simple, bajo costo y la capacidad de lograr una producción en masa de polvo de carburo de silicio. Sin embargo, debido a que la síntesis de polvo de SiC mediante aleación mecánica se logra mediante un movimiento de colisión aleatorio, las partículas del producto generalmente tienen una distribución de tamaño de partícula amplia y aún se necesita tecnología de clasificación para cribar el material. Al mismo tiempo, durante el proceso de molienda de bolas, las impurezas de los medios de molienda y de los recipientes de molienda se introducen muy fácilmente, y debido a que el polvo de la materia prima generalmente reacciona a través de reacciones de superficie-a-superficie, es probable que se produzca una reacción incompleta. En resumen, la aleación mecánica no es un método ideal para sintetizar polvo de SiC de alta-pureza.
Método de síntesis de temperatura alta-autopropagante-
El método de síntesis auto-a alta-temperatura pertenece al método de síntesis en fase sólida-. En este método, bajo la condición de una fuente de calor externa, se añaden activadores para que la reacción química de los reactivos se desarrolle de forma espontánea y continua. Sin embargo, la adición de activadores introduce inevitablemente otras impurezas. Para garantizar la pureza del producto, los investigadores optan por aumentar la temperatura de reacción y continuar calentando para mantener la reacción. Este método se denomina método mejorado de síntesis auto-de alta-temperatura.
El método mejorado de síntesis auto-a alta-temperatura tiene un proceso de preparación simple y una alta eficiencia de síntesis, y se usa ampliamente en la industria para producir polvo de SiC de alta-pureza. Este método utiliza fuentes sólidas de Si y C como materia prima, lo que hace que reaccionen continuamente a una temperatura alta de 1400-2000 grados C y, finalmente, se obtiene polvo de SiC de alta-pureza. En la actualidad, el objetivo de la investigación del método de síntesis autopropagante mejorado para preparar polvo de SiC es cómo reducir el contenido del elemento N en el polvo de SiC.
Método de fase líquida-
Método sol-gel
En la actualidad, entre los métodos de fase líquida-, solo el método de sol-gel puede sintetizar polvo de SiC de alta-pureza. Su proceso de preparación consiste en disolver sales o alcóxidos inorgánicos en un solvente (agua o alcohol) para formar una solución uniforme, obteniendo un sol uniforme, que luego se convierte en un gel mediante secado o deshidratación, para luego someterse a un tratamiento térmico para obtener el polvo ultrafino requerido.
El polvo de carburo de silicio sintetizado mediante el método sol-gel se utilizó por primera vez para sinterizar cerámicas de carburo de silicio. Con la mejora continua del proceso, la pureza del polvo sintetizado también ha seguido aumentando. En la actualidad, el polvo de SiC preparado mediante el método sol-gel ya se puede utilizar para el crecimiento de monocristales. El método sol-gel puede preparar polvo de SiC ultrafino y de alta-pureza, pero el costo de preparación es relativamente alto y el proceso de síntesis es complejo, por lo que no es adecuado para la producción industrial.
Método de pirólisis de polímeros
El método de pirólisis de polímeros produce principalmente polvo de SiC mediante la descomposición de polímeros orgánicos a alta temperatura. Este método de síntesis se divide principalmente en dos categorías: una consiste en calentar un precursor para que se someta a una reacción de descomposición y liberar pequeños monómeros, formando SiO2 y C, y luego preparar polvo de SiC mediante una reacción de reducción carbotérmica; el otro consiste en calentar un precursor para liberar un esqueleto de monómero de Si-C, formando finalmente polvo de SiC. Hubo muchos estudios relacionados sobre el método de pirólisis de polímeros en la década de 1990, pero en los últimos años pocos investigadores relevantes lo han mencionado, principalmente debido a su baja tasa de conversión del producto, su costo muy alto de materia prima y su contaminación relativamente grande.
Método de fase-gaseosa
Método de deposición química de vapor (CVD)
El método CVD obtiene polvo de Si ultrafino y de alta-pureza mediante la reacción de gases a alta-temperatura. La fuente de Si generalmente se selecciona entre SiH4 y SiCl4, etc., y la fuente de C generalmente se selecciona entre CH4, C2H2 y CCl4, etc., mientras que gases tales como (CH3)2SiCl2 y Si(CH3)4 pueden proporcionar tanto la fuente de Si como la fuente de C al mismo tiempo. La pureza de estos gases es superior al 99,9999%.
En la actualidad, el método CVD utiliza principalmente fuentes de gas orgánico como materia prima. Este método requiere un control preciso del caudal de entrada del equipo y tiene requisitos extremadamente altos para la pureza de las fuentes de gas de síntesis y las piezas internas de grafito. Al mismo tiempo, debido a que hay muchos subproductos-de la reacción química, los gases corrosivos y tóxicos, como los cloruros, se producen muy fácilmente, lo que impone altas exigencias a los operadores y equipos y, por lo tanto, los costos de producción también siguen siendo altos. Además, el polvo sintetizado mediante este método es un polvo ultrafino a nanoescala, que no es fácil de recolectar. Además, debido a las limitaciones de la deposición química de vapor en sí, la velocidad de síntesis es relativamente lenta y en la actualidad no se puede lograr una producción a gran-escala de polvo de SiC de alta-pureza.
Método de plasma
El método del plasma consiste en pasar gases de reacción a un recipiente de plasma excitado por una fuente de energía de radio-frecuencia. Los gases reaccionan entre sí al chocar con electrones de alta-velocidad, obteniendo finalmente polvo de SiC de alta-pureza. Las fuentes de gas utilizadas en el método de plasma son las mismas que las del método CVD y la pureza del gas también es superior al 99,9999 %.
El método del plasma puede sintetizar polvo de SiC de alta-pureza y la distribución del tamaño de las partículas del polvo es uniforme, sin problemas de contaminación. Sin embargo, el tamaño de partícula del polvo sintetizado es demasiado pequeño para cumplir con los requisitos del crecimiento de un solo cristal, y se necesita un procesamiento adicional antes de que pueda usarse para el crecimiento de cristales. Además, el equipo tiene una vida útil corta y un coste elevado.