نظرًا لأن مسحوق SiC يلعب دورًا مهمًا في نمو البلورات الفردية، في السنوات الأخيرة، أصبح تحضير مسحوق SiC عالي النقاء- تدريجيًا نقطة بحث ساخنة في مجال نمو بلورات SiC الفردية.
هناك ثلاث طرق رئيسية لتصنيع مسحوق SiC: الأولى هي طريقة الطور الصلب-، والتي تتضمن بشكل أساسي طريقة الاختزال الكربوثيرمالي، وطريقة السبائك الميكانيكية، وطريقة التوليف ذاتي -ذات درجة الحرارة العالية-؛ والثاني هو طريقة الطور السائل-، وأكثرها تمثيلاً هي طريقة هلام المحلول - وطريقة الانحلال الحراري للبوليمر؛ والثالث هو طريقة الطور الغازي، وأكثرها تمثيلاً هي طريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD) وطريقة البلازما.
طريقة المرحلة الصلبة-
طريقة الحد من الكربوثيرمال
عادةً ما تستخدم طريقة الاختزال الكربوثيرمال مسحوق السيليكا كمصدر للسيليكون وأسود الكربون وفحم الكوك كمصدر للكربون. يتم خلط مصدر الكربون ومصدر السيليكون بشكل موحد بنسبة معينة ثم تسخينهما، وبعد الاحتفاظ بدرجة حرارة معينة لفترة من الوقت، يتم تشكيل مسحوق كربيد السيليكون. نظرًا لعمليتها البسيطة وانخفاض تكلفة المواد الخام، فهي حاليًا الطريقة الأكثر استخدامًا للإنتاج الصناعي لكربيد السيليكون.
في الوقت الحاضر، لا يزال تحضير مسحوق SiC بطريقة الاختزال الكربوثيرمال التقليدية يعاني من مشاكل مثل انخفاض نقاء المسحوق، ومحتوى الشوائب العالي، واستهلاك الطاقة العالي، وعدم كفاية نقاء المسحوق. ومع ذلك، تتمتع هذه الطريقة بمزايا مثل المواد الخام الرخيصة والتشغيل البسيط والتكنولوجيا الناضجة، لذا فهي لا تزال تحتفظ بمكانة مهيمنة في تحضير-كربيد السيليكون منخفض الجودة.
طريقة صناعة السبائك الميكانيكية
عادةً ما يستخدم تحضير مسحوق كربيد السيليكون عن طريق السبائك الميكانيكية الطاقة الناتجة عن الطحن الكري عالي الطاقة- لتعزيز التصادم والانتشار المتبادل بين المواد المتفاعلة وتكوين المنتج المطلوب. أثناء عملية طحن الكرات، وفي ظل التأثير والضغط المحلي العالي للغاية الناتج عن الدوران العالي السرعة - لكرات الطحن ذات الطاقة العالية-، تتحد الأسطح المكشوفة حديثًا من الجزيئات مع بعضها البعض. تتسبب الطحن الكروي ذو الطاقة العالية- في توليد الجزيئات لعدد كبير من العيوب. مدفوعة بالطاقة الحرة، تنتشر الذرات بين أسطح الجسيمات في بعضها البعض، وبالتالي تشكل مرحلة جديدة.
تتميز طريقة صناعة السبائك الميكانيكية بمزايا مثل تكنولوجيا الإنتاج البسيطة والتكلفة المنخفضة والقدرة على تحقيق الإنتاج الضخم لمسحوق كربيد السيليكون. ومع ذلك، نظرًا لأن تصنيع مسحوق SiC بواسطة السبائك الميكانيكية يتم تحقيقه من خلال حركة تصادم عشوائية، فإن جزيئات المنتج عادةً ما يكون لها توزيع واسع لحجم الجسيمات، ولا تزال هناك حاجة إلى تكنولوجيا التصنيف لفحص المادة. في الوقت نفسه، أثناء عملية الطحن بالكرات، يتم إدخال الشوائب من وسائط الطحن وأوعية الطحن بسهولة شديدة، ونظرًا لأن مسحوق المادة الخام يتفاعل عادةً من خلال تفاعلات السطح - إلى - السطح، فمن المحتمل أن يحدث تفاعل غير مكتمل. باختصار، صناعة السبائك الميكانيكية ليست طريقة مثالية لتصنيع مسحوق SiC عالي النقاء-.
-النشر الذاتي-طريقة تركيب درجة الحرارة العالية
تنتمي طريقة التوليف ذاتي-الانتشار العالي لدرجات الحرارة-إلى طريقة التوليف الطورية الصلبة-. في هذه الطريقة، في حالة وجود مصدر تسخين خارجي، تتم إضافة المنشطات بحيث يستمر التفاعل الكيميائي للمواد المتفاعلة بشكل تلقائي ومستمر. ومع ذلك، فإن إضافة المنشطات يؤدي حتما إلى شوائب أخرى. ومن أجل التأكد من نقاء المنتج، اختار الباحثون زيادة درجة حرارة التفاعل ومواصلة التسخين للحفاظ على التفاعل. تُسمى هذه الطريقة طريقة التوليف الذاتي المحسنة-للنشر بدرجة حرارة عالية-.
تتميز طريقة التوليف -ذاتية الانتشار المرتفعة-المحسنة بعملية تحضير بسيطة وكفاءة تركيب عالية، وتستخدم على نطاق واسع في الصناعة لإنتاج مسحوق-SiC عالي النقاء. تستخدم هذه الطريقة مصادر Si الصلبة ومصادر C كمواد خام، مما يجعلها تتفاعل بشكل مستمر عند درجة حرارة عالية تبلغ 1400-2000 درجة مئوية، وفي النهاية يتم الحصول على مسحوق SiC عالي النقاء-. في الوقت الحاضر، التركيز البحثي لطريقة التوليف ذاتية الانتشار المحسنة لإعداد مسحوق SiC هو كيفية تقليل محتوى عنصر N في مسحوق SiC.
طريقة الطور السائل-
طريقة سول-الجل
في الوقت الحاضر، من بين طرق-الطور السائل، يمكن فقط لطريقة المحلول-الجل تصنيع مسحوق SiC عالي النقاء-. تتمثل عملية تحضيره في إذابة الأملاح غير العضوية أو الألكوكسيدات في مذيب (ماء أو كحول) لتكوين محلول موحد، والحصول على محلول موحد، والذي يتم بعد ذلك تحويله إلى هلام من خلال التجفيف أو الجفاف، ثم إخضاعه للمعالجة الحرارية للحصول على المسحوق متناهية الصغر المطلوب.
تم استخدام مسحوق كربيد السيليكون الذي تم تصنيعه بطريقة السول-الجل لأول مرة في تلبيد سيراميك كربيد السيليكون. مع التحسين المستمر للعملية، استمرت أيضًا زيادة نقاء المسحوق المركب. في الوقت الحاضر، يمكن بالفعل استخدام مسحوق SiC المحضر بطريقة sol{3}}gel لنمو بلورة واحدة. يمكن لطريقة الجل - تحضير مسحوق SiC عالي النقاء -، ولكن تكلفة التحضير مرتفعة نسبيًا وعملية التخليق معقدة، لذا فهو غير مناسب للإنتاج الصناعي.
طريقة الانحلال الحراري للبوليمر
تنتج طريقة الانحلال الحراري للبوليمر بشكل أساسي مسحوق SiC عن طريق تحلل البوليمرات العضوية عند درجة حرارة عالية. تنقسم طريقة التوليف هذه بشكل أساسي إلى فئتين: إحداهما تسخين المادة الأولية للخضوع لتفاعل التحلل وإطلاق مونومرات صغيرة، وتشكيل SiO2 وC، ثم تحضير مسحوق SiC من خلال تفاعل الاختزال الحراري الكربيدي؛ والآخر هو تسخين المادة الأولية لتحرير هيكل المونومر Si-C، وتكوين مسحوق SiC في النهاية. كانت هناك العديد من الدراسات ذات الصلة حول طريقة الانحلال الحراري للبوليمر في التسعينيات، ولكن في السنوات الأخيرة ذكرها عدد قليل من الباحثين المعنيين، ويرجع ذلك أساسًا إلى انخفاض معدل تحويل المنتج، وتكلفة المواد الخام المرتفعة جدًا، والتلوث الكبير نسبيًا.
الغاز-طريقة الطور
طريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD)
تعمل طريقة CVD على الحصول على مسحوق Si متناهية الصغر وعالي النقاء-من خلال تفاعل الغازات في درجات الحرارة العالية-. يتم تحديد مصدر Si بشكل عام من SiH4 وSiCl4، وما إلى ذلك، ويتم تحديد مصدر C بشكل عام من CH4، C2H2، وCCl4، وما إلى ذلك، في حين أن الغازات مثل (CH3)2SiCl2 وSi(CH3)4 يمكن أن توفر كلا من مصدر Si ومصدر C في نفس الوقت. درجة نقاء هذه الغازات تزيد عن 99.9999%.
في الوقت الحاضر، تستخدم طريقة الأمراض القلبية الوعائية في الغالب مصادر الغاز العضوي كمواد خام. تتطلب هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في معدل تدفق السحب للمعدات، ولها متطلبات عالية للغاية لنقاء مصادر الغاز الاصطناعي وأجزاء الجرافيت الداخلية. وفي الوقت نفسه، ونظرًا لوجود العديد من المنتجات الثانوية للتفاعل الكيميائي، يتم إنتاج الغازات المسببة للتآكل والسامة مثل الكلوريدات بسهولة شديدة، مما يضع متطلبات عالية على المشغلين والمعدات، وبالتالي تظل تكاليف الإنتاج مرتفعة أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن المسحوق الذي يتم تصنيعه بهذه الطريقة هو مسحوق متناهية الصغر على المستوى النانوي، وهو ليس من السهل جمعه. أيضًا، نظرًا للقيود المفروضة على ترسيب البخار الكيميائي نفسه، فإن معدل التوليف بطيء نسبيًا، وفي الوقت الحالي لا يمكنه تحقيق إنتاج كبير -من مسحوق SiC عالي النقاء-.
طريقة البلازما
تتمثل طريقة البلازما في تمرير غازات التفاعل إلى حاوية البلازما المثارة بواسطة مصدر طاقة تردد الراديو-. تتفاعل الغازات مع بعضها البعض تحت تصادمات مع-إلكترونات عالية السرعة، مما يؤدي في النهاية إلى الحصول على مسحوق SiC عالي النقاء-. مصادر الغاز المستخدمة في طريقة البلازما هي نفس تلك الموجودة في طريقة CVD، كما أن درجة نقاء الغاز أعلى من 99.9999%.
يمكن لطريقة البلازما تصنيع مسحوق SiC عالي النقاء-، ويكون توزيع حجم جسيمات المسحوق موحدًا، دون أي مشاكل تلوث. ومع ذلك، فإن حجم جسيمات المسحوق المركب صغير جدًا بحيث لا يفي بمتطلبات نمو البلورة المفردة، وهناك حاجة إلى مزيد من المعالجة قبل أن يمكن استخدامه لنمو البلورات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن المعدات لديها عمر خدمة قصير وتكلفة عالية.