Глава 1. Методы выращивания монокристаллов карбида кремния

На настоящий момент существует множество способов синтеза карбида кремния., а получение наноразмерных порошков карбида кремния возможно несколькими методами, например, такими как методы Ачесона, Лели, высокотемпературного синтеза, микроволнового спекания, Золь-гель метод, CVD. Однако сегодня существуют значительные проблемы, не позволяющие применять данные методы в промышленных масштабах и связанные, в зависимости от метода синтеза, чаще всего с высокой стоимостью прекурсоров, энергозатратностью технологий, недостаточной дисперсностью и широким распределением по размерам.

1.1. Метод Ачесона

В учебном пособии [2] авторы пишут, что технический карбид кремния в промышленности получают по методу Ачесона. В соответствии с этим методом карбид кремния синтезируют в электрической печи с нагревательным элементом в виде графитового стержня, без изоляции камеры от атмосферы.

Рис.1. Метод Ачесона. Сверху: установка перед началом процесса синтеза. Снизу: установка после процесса синтеза: 1 – непрореагировавшая смесь; 2 – кристаллы SiC в полостях вблизи графитового стержня;

3 – графитовый стержень с электродами; 4 – аморфный SiC

Смесью углерода (графита, кокса), кварцевого песка (SiO2) с добавлением опилок и поваренной соли обкладывают нагревательный стержень, после чего температуру в печи поднимают примерно до 2700 °С. После кратковременной выдержки температуру несколько снижают и при 2000 °С выдерживают печь в течение нескольких суток.

Общая схема процесса производства приведена на рисунке 2 [3].

Рис.2. – Технологическая схема получения порошков карбида кремния методом Ачесона

Общими недостатками такого метода, как утверждает автор работы [3], является:

– сильное загрязнение получаемого продукта, малый выход SiC;

– неконтролируемое структуро- и формообразование кристаллов;

– выброс в атмосферу огромного количества моно- и диоксида углерода;

– ручная разбраковка продуктов реакции осуществляется в условиях очень высокой запыленности рабочего пространства;

– быстрый износ элементов электропечи;

– высокая продолжительность процесса получения продукта во времени.

Сегодня активно развиваются пути избавления от выявленных недостатков процесса синтеза методом Ачесона.

1.2. Высокотемпературный синтез

Автор работы [3] считает, что высокотемпературный синтез (CS – combustion synthesis) является эффективным методом для производства широкого спектра материалов, включая порошки и чистые продукты из керамики, интерметаллидов, композитов и функционально градуированных материалов. Есть два режима высокотемпературного синтеза: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС или SHS – self-propagating hightemperature synthesis) и синтез объемного горения (VCS – volume combustion synthesis).

Рис.3. – Два режима высокотемпературного синтеза СВС и VCS

При режиме СВС (рисунок 3, а), в момент локального начала самостоятельная реакция мгновенно распространяется сквозь гетерогенную среду смеси реагентов в виде волны посредством экзотермических химических реакций, приводящих к синтезу желаемого продукта. Температура волнового фронта имеет, как правило, довольно высокие значения (2000-4000 К) [3].

Во время синтеза объемного сгорания (VCS) (рисунок 3, б), весь образец нагревается равномерно в управляемом режиме, пока реакция происходит одновременно во всем объеме. Этот режим синтеза больше подходит для слабо экзотермических реакций, которые требуют подогрева перед зажиганием, и иногда его называют режимом теплового взрыва [3].

Также, существует множество разновидностей этого метода, которые решают проблемы, например, с реакционной способностью. Так зарубежные авторы описывают оптимизацию предварительного нагрева реактивной смеси, а также предлагают использовать электрический ток для подогрева. Также существует большая проблема с опасностью возгорания, которую тоже стараются решить.

Таким образом, можно выделить следующие преимущества СВС:

– короткое время синтеза (порядка нескольких минут);

– малые потери энергии (внутренняя химическая энергия системы преимущественно расходуется для производства продукта);

– простота технологического оборудования; - возможность синтеза продукта высокой чистоты;

– возможность получения продукта наноразмерной дисперсности.

В работе [3] делается вывод, что соответствие состава и структуры получаемого продукта заданным значения может быть достигнуто путем рационального подбора пропорций компонентов и режима синтеза. Но чаще всего продукт получается грубодисперсным, а значит не имеет преимуществ перед смесью, которая синтезирована традиционными методами.

Кроме того, для метода СВС чаще всего используется более дорогое сырье, в системе Si-C нелегко провести независимый процесс СВС, и необходимо повышать реакционную способность прекурсоров различными способами, а также требуется дополнительная энергия.