Ponieważ proszek SiC odgrywa ważną rolę we wzroście monokryształów, w ostatnich latach wytwarzanie proszku SiC-o wysokiej czystości stało się stopniowo głównym obszarem badań w dziedzinie wzrostu monokryształów SiC.
Istnieją głównie trzy metody syntezy proszku SiC: pierwsza to metoda-w fazie stałej, która obejmuje głównie metodę redukcji karbotermicznej, metodę mechanicznego tworzenia stopu i metodę-samorozmnażania się-syntezy w wysokiej temperaturze; druga to metoda-fazy ciekłej, z której najbardziej reprezentatywne są metoda zol-żelowa i metoda pirolizy polimeru; trzecia to metoda-w fazie gazowej, z której najbardziej reprezentatywne są chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) i metoda plazmowa.
Metoda fazy stałej-
Metoda redukcji karbotermicznej
W metodzie redukcji karbotermicznej zwykle wykorzystuje się proszek krzemionkowy jako źródło krzemu oraz sadzę i koks naftowy jako źródło węgla. Źródło węgla i źródło krzemu miesza się równomiernie w określonej proporcji, a następnie podgrzewa i po utrzymywaniu w określonej temperaturze przez pewien czas tworzy się proszek węglika krzemu. Ze względu na prosty proces i niski koszt surowca jest to obecnie najczęściej stosowana metoda przemysłowej produkcji węglika krzemu.
Obecnie wytwarzanie proszku SiC tradycyjną metodą redukcji karbotermicznej nadal wiąże się z problemami, takimi jak niska czystość proszku, wysoka zawartość zanieczyszczeń, wysokie zużycie energii i niewystarczające rozdrobnienie proszku. Jednak metoda ta ma zalety, takie jak tanie surowce, prosta obsługa i dojrzała technologia, dzięki czemu nadal utrzymuje dominującą pozycję w otrzymywaniu węglika krzemu o niskiej-jakości.
Mechaniczna metoda stopowania
Przy wytwarzaniu proszku węglika krzemu metodą mechanicznego tworzenia stopu zwykle wykorzystuje się energię wytwarzaną w procesie-wysokoenergetycznego mielenia kulowego, aby sprzyjać wzajemnym zderzeniom i dyfuzji między reagentami i utworzyć pożądany produkt. Podczas procesu mielenia kulowego, pod niezwykle dużym lokalnym uderzeniem i ściskaniem generowanym przez-szybki obrót kul mielących o dużej energii-, nowo odsłonięte powierzchnie cząstek łączą się ze sobą. Wysokoenergetyczne mielenie kulowe- powoduje, że cząstki generują dużą liczbę defektów. Napędzane darmową energią atomy znajdujące się pomiędzy powierzchniami cząstek dyfundują między sobą, tworząc w ten sposób nową fazę.
Mechaniczna metoda stopowania ma zalety, takie jak prosta technologia produkcji, niski koszt i możliwość osiągnięcia masowej produkcji proszku węglika krzemu. Jednakże, ponieważ syntezę proszku SiC poprzez mechaniczne tworzenie stopów osiąga się poprzez losowy ruch kolizyjny, cząstki produktu zwykle mają szeroki rozkład wielkości cząstek, a do przesiewania materiału nadal potrzebna jest technologia klasyfikacji. Jednocześnie podczas procesu mielenia kulowego bardzo łatwo wprowadzane są zanieczyszczenia ze środków mielących i naczyń mielących, a ponieważ proszek surowca zwykle reaguje poprzez reakcje powierzchniowe-z-powierzchnią, prawdopodobna jest reakcja niepełna. Podsumowując, mechaniczne tworzenie stopów nie jest idealną metodą syntezy proszku SiC-o wysokiej czystości.
Samo-rozmnażająca się-metoda syntezy w wysokiej temperaturze
Samonamnażająca się metoda syntezy-w wysokiej-temperaturze należy do metody syntezy w fazie stałej. W tej metodzie, pod warunkiem zewnętrznego źródła ciepła, dodaje się aktywatory, dzięki czemu reakcja chemiczna reagentów przebiega samoistnie i w sposób ciągły. Jednakże dodatek aktywatorów nieuchronnie wprowadza inne zanieczyszczenia. Aby zapewnić czystość produktu, badacze decydują się na podniesienie temperatury reakcji i kontynuowanie ogrzewania, aby utrzymać reakcję. Metoda ta nazywana jest ulepszoną metodą-samonamnażania się-syntezy w wysokiej temperaturze.
Ulepszona-samonamnażająca się metoda syntezy w wysokiej-temperaturze charakteryzuje się prostym procesem przygotowania i wysoką wydajnością syntezy i jest szeroko stosowana w przemyśle do produkcji proszku SiC-o wysokiej czystości. Metoda ta wykorzystuje źródła stałego Si i źródła C jako surowce, powodując ich ciągłą reakcję w wysokiej temperaturze 1400-2000 stopni C, w wyniku czego uzyskuje się proszek SiC-o wysokiej czystości. Obecnie głównym celem badań nad ulepszoną metodą syntezy samorozmnażającej się do wytwarzania proszku SiC jest zmniejszenie zawartości pierwiastka N w proszku SiC.
Metoda-fazy ciekłej
Sol-Metoda żelowa
Obecnie spośród metod-w fazie ciekłej tylko metoda zol-żelowa umożliwia syntezę proszku SiC-o wysokiej czystości. Proces jego wytwarzania polega na rozpuszczeniu soli nieorganicznych lub alkoholanów w rozpuszczalniku (wodzie lub alkoholu) w celu utworzenia jednolitego roztworu, w wyniku czego otrzymuje się jednolity zol, który następnie poprzez suszenie lub odwodnienie przekształca się w żel, a następnie poddaje obróbce cieplnej w celu uzyskania wymaganego ultradrobnego proszku.
Proszek węglika krzemu syntetyzowany metodą zol-żelu został po raz pierwszy użyty do spiekania ceramiki z węglika krzemu. Wraz z ciągłym udoskonalaniem procesu, czystość syntetyzowanego proszku również stale rośnie. Obecnie proszek SiC przygotowany metodą zol-żelu można już stosować do wzrostu monokryształów. Metodą zol-żelową można otrzymać-ultradrobny proszek SiC o wysokiej czystości, ale koszt przygotowania jest stosunkowo wysoki, a proces syntezy złożony, dlatego nie nadaje się do produkcji przemysłowej.
Metoda pirolizy polimerów
Metoda pirolizy polimerów wytwarza głównie proszek SiC poprzez rozkład polimerów organicznych w wysokiej temperaturze. Tę metodę syntezy dzieli się głównie na dwie kategorie: jedna polega na ogrzewaniu prekursora w celu poddania go reakcji rozkładu i uwolnienia małych monomerów, tworząc SiO2 i C, a następnie przygotowaniu proszku SiC w drodze karbotermicznej reakcji redukcji; druga polega na ogrzewaniu prekursora w celu uwolnienia szkieletu monomeru Si-C, ostatecznie tworząc proszek SiC. W latach 90. XX wieku przeprowadzono wiele powiązanych badań dotyczących metody pirolizy polimerów, ale w ostatnich latach niewielu odpowiednich badaczy wspomniało o niej, głównie ze względu na niski współczynnik konwersji produktu, bardzo wysoki koszt surowców i stosunkowo duże zanieczyszczenie.
Metoda-gazowa
Metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD)
Metoda CVD pozwala uzyskać ultradrobny proszek Si-o wysokiej czystości w wyniku-reakcji gazów w wysokiej temperaturze. Źródło Si jest na ogół wybierane spośród SiH4 i SiCl4 itd., a źródło C jest na ogół wybierane spośród CH4, C2H2 i CCl4 itd., podczas gdy gazy takie jak (CH3)2SiCl2 i Si(CH3)4 mogą zapewniać jednocześnie źródło Si i źródło C. Czystość tych gazów przekracza 99,9999%.
Obecnie w metodzie CVD jako surowce wykorzystuje się głównie organiczne źródła gazu. Metoda ta wymaga precyzyjnej kontroli natężenia przepływu na wlocie urządzenia i stawia niezwykle wysokie wymagania w zakresie czystości źródeł gazu syntezowego i wewnętrznych części grafitowych. Jednocześnie, ponieważ istnieje wiele-produktów ubocznych reakcji chemicznej, bardzo łatwo powstają żrące i toksyczne gazy, takie jak chlorki, co stawia wysokie wymagania operatorom i sprzętowi, w związku z czym koszty produkcji również pozostają wysokie. Ponadto proszek syntetyzowany tą metodą jest ultradrobnym proszkiem w skali nano, który nie jest łatwy do zebrania. Ponadto ze względu na ograniczenia samego chemicznego osadzania z fazy gazowej tempo syntezy jest stosunkowo powolne i obecnie nie można w nim osiągnąć produkcji-na dużą skalę proszku SiC o-czystości.
Metoda plazmowa
Metoda plazmowa polega na przepuszczeniu gazów reakcyjnych do pojemnika plazmowego wzbudzonego-źródłem zasilania o częstotliwości radiowej. Gazy reagują ze sobą podczas zderzeń z-elektronami o dużej prędkości, ostatecznie otrzymując proszek SiC-o wysokiej czystości. Źródła gazu stosowane w metodzie plazmowej są takie same jak w metodzie CVD, a czystość gazu również przekracza 99,9999%.
Metodą plazmową można syntetyzować proszek SiC-o wysokiej czystości, a rozkład wielkości cząstek proszku jest jednolity i nie ma problemów z zanieczyszczeniem. Jednakże wielkość cząstek zsyntetyzowanego proszku jest zbyt mała, aby spełnić wymagania dotyczące wzrostu monokryształów i konieczne jest dalsze przetwarzanie, zanim będzie można je wykorzystać do wzrostu kryształów. Ponadto sprzęt ma krótką żywotność i wysoki koszt.