குறைக்கடத்தி துறையில் அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் SiC மட்பாண்டங்களின் தேவை மற்றும் பயன்பாடு

தற்போது,சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC)உள்நாட்டிலும் வெளிநாட்டிலும் தீவிரமாக ஆய்வு செய்யப்படும் வெப்ப கடத்தும் பீங்கான் பொருள். SiC இன் தத்துவார்த்த வெப்ப கடத்துத்திறன் மிக அதிகமாக உள்ளது, மேலும் சில படிக வடிவங்கள் 270W/mK ஐ அடையலாம், இது ஏற்கனவே கடத்தாத பொருட்களில் முன்னணியில் உள்ளது. எடுத்துக்காட்டாக, SiC வெப்ப கடத்துத்திறனின் பயன்பாடு குறைக்கடத்தி சாதனங்களின் அடி மூலக்கூறு பொருட்கள், உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் கொண்ட பீங்கான் பொருட்கள், குறைக்கடத்தி செயலாக்கத்திற்கான ஹீட்டர்கள் மற்றும் வெப்பமூட்டும் தட்டுகள், அணு எரிபொருளுக்கான காப்ஸ்யூல் பொருட்கள் மற்றும் கம்ப்ரசர் பம்புகளுக்கான எரிவாயு சீல் வளையங்கள் ஆகியவற்றில் காணலாம்.

விண்ணப்பம்சிலிக்கான் கார்பைடுகுறைக்கடத்தி துறையில்

அரைக்கடத்தித் தொழிலில் சிலிக்கான் செதில் உற்பத்திக்கு அரைக்கும் வட்டுகள் மற்றும் சாதனங்கள் முக்கியமான செயல்முறை உபகரணங்களாகும். அரைக்கும் வட்டு வார்ப்பிரும்பு அல்லது கார்பன் எஃகு மூலம் செய்யப்பட்டால், அதன் சேவை வாழ்க்கை குறுகியது மற்றும் அதன் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் பெரியது. சிலிக்கான் செதில்களின் செயலாக்கத்தின் போது, ​​குறிப்பாக அதிவேக அரைக்கும் அல்லது மெருகூட்டலின் போது, ​​அரைக்கும் வட்டு தேய்மானம் மற்றும் வெப்ப சிதைவு காரணமாக, சிலிக்கான் செதில்களின் தட்டையான மற்றும் இணையான தன்மைக்கு உத்தரவாதம் அளிப்பது கடினம். அரைக்கும் வட்டு செய்யப்பட்டசிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்கள்அதன் அதிக கடினத்தன்மை காரணமாக குறைந்த தேய்மானம் உள்ளது, மேலும் அதன் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகம் அடிப்படையில் சிலிக்கான் செதில்களைப் போலவே உள்ளது, எனவே அதை அதிக வேகத்தில் அரைத்து மெருகூட்டலாம்.

கூடுதலாக, சிலிக்கான் செதில்கள் தயாரிக்கப்படும் போது, ​​அவை அதிக வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சைக்கு உட்படுத்தப்பட வேண்டும் மற்றும் பெரும்பாலும் சிலிக்கான் கார்பைடு பொருத்துதல்களைப் பயன்படுத்தி கொண்டு செல்லப்படுகின்றன. அவை வெப்பத்தை எதிர்க்கும் மற்றும் அழிவில்லாதவை. வைரம் போன்ற கார்பன் (DLC) மற்றும் பிற பூச்சுகள் செயல்திறனை மேம்படுத்தவும், செதில் சேதத்தை குறைக்கவும் மற்றும் மாசு பரவுவதை தடுக்கவும் மேற்பரப்பில் பயன்படுத்தப்படலாம்.

மேலும், மூன்றாம் தலைமுறை வைட் பேண்ட்கேப் செமிகண்டக்டர் பொருட்களின் பிரதிநிதியாக, சிலிக்கான் கார்பைடு ஒற்றை படிக பொருட்கள் பெரிய பேண்ட்கேப் அகலம் (Si ஐ விட 3 மடங்கு), அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் (Si ஐ விட 3.3 மடங்கு அல்லது 10 மடங்கு) போன்ற பண்புகளைக் கொண்டுள்ளன. GaAs இன், உயர் எலக்ட்ரான் செறிவு இடம்பெயர்வு விகிதம் (Si ஐ விட சுமார் 2.5 மடங்கு) மற்றும் உயர் முறிவு மின்சார புலம் (சுமார் Si ஐ விட 10 மடங்கு அல்லது GaAs ஐ விட 5 மடங்கு). SiC சாதனங்கள் நடைமுறை பயன்பாடுகளில் பாரம்பரிய குறைக்கடத்தி பொருள் சாதனங்களின் குறைபாடுகளை உருவாக்குகின்றன மற்றும் படிப்படியாக சக்தி குறைக்கடத்திகளின் முக்கிய நீரோட்டமாக மாறி வருகின்றன.

அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் கொண்ட சிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்களுக்கான தேவை வியத்தகு அளவில் அதிகரித்துள்ளது

விஞ்ஞானம் மற்றும் தொழில்நுட்பத்தின் தொடர்ச்சியான வளர்ச்சியுடன், குறைக்கடத்தி துறையில் சிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்களைப் பயன்படுத்துவதற்கான தேவை வியத்தகு முறையில் அதிகரித்துள்ளது, மேலும் குறைக்கடத்தி உற்பத்தி உபகரணங்களின் கூறுகளில் அதன் பயன்பாட்டிற்கான முக்கிய குறிகாட்டியாக உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் உள்ளது. எனவே, அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் கொண்ட சிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்கள் பற்றிய ஆராய்ச்சியை வலுப்படுத்துவது மிகவும் முக்கியமானது. சிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்களின் வெப்ப கடத்துத்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான முக்கிய முறைகள் லட்டு ஆக்ஸிஜன் உள்ளடக்கத்தை குறைத்தல், அடர்த்தியை மேம்படுத்துதல் மற்றும் லட்டியில் இரண்டாவது கட்டத்தின் விநியோகத்தை நியாயமான முறையில் ஒழுங்குபடுத்துதல்.

தற்போது, ​​எனது நாட்டில் உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் சிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்கள் பற்றிய சில ஆய்வுகள் உள்ளன, மேலும் உலக அளவில் ஒப்பிடும்போது இன்னும் பெரிய இடைவெளி உள்ளது. எதிர்கால ஆராய்ச்சி திசைகளில் பின்வருவன அடங்கும்:
●சிலிக்கான் கார்பைடு செராமிக் பவுடரின் தயாரிப்பு செயல்முறை ஆராய்ச்சியை வலுப்படுத்தவும். உயர்-தூய்மை, குறைந்த ஆக்ஸிஜன் சிலிக்கான் கார்பைடு தூள் தயாரிப்பது உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் சிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்களை தயாரிப்பதற்கான அடிப்படையாகும்;
● சிண்டரிங் எய்ட்ஸ் மற்றும் தொடர்புடைய கோட்பாட்டு ஆராய்ச்சியின் தேர்வை வலுப்படுத்துதல்;
●உயர்நிலை சின்டரிங் கருவிகளின் ஆராய்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டை வலுப்படுத்துதல். ஒரு நியாயமான நுண் கட்டமைப்பைப் பெற சின்டெரிங் செயல்முறையை ஒழுங்குபடுத்துவதன் மூலம், அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைப் பெறுவதற்கு அவசியமான நிபந்தனையாகும்.

சிலிக்கான் கார்பைடு மட்பாண்டங்களின் வெப்ப கடத்துத்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான நடவடிக்கைகள்

SiC மட்பாண்டங்களின் வெப்ப கடத்துத்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான திறவுகோல் ஃபோனான் சிதறல் அதிர்வெண்ணைக் குறைப்பது மற்றும் ஃபோனான் சராசரி இலவச பாதையை அதிகரிப்பதாகும். SiC இன் வெப்ப கடத்துத்திறன் SiC மட்பாண்டங்களின் போரோசிட்டி மற்றும் தானிய எல்லை அடர்த்தியை குறைப்பதன் மூலம் திறம்பட மேம்படுத்தப்படும், SiC தானிய எல்லைகளின் தூய்மையை மேம்படுத்துகிறது, SiC லேட்டிஸ் அசுத்தங்கள் அல்லது லேட்டிஸ் குறைபாடுகளை குறைப்பதன் மூலம் மற்றும் SiC இல் வெப்ப ஓட்டம் கடத்தும் கேரியரை அதிகரிக்கிறது. தற்போது, ​​சிண்டரிங் எய்ட்ஸ் வகை மற்றும் உள்ளடக்கத்தை மேம்படுத்துதல் மற்றும் உயர் வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சை ஆகியவை SiC பீங்கான்களின் வெப்ப கடத்துத்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான முக்கிய நடவடிக்கைகளாகும்.

① சிண்டரிங் எய்ட்ஸ் வகை மற்றும் உள்ளடக்கத்தை மேம்படுத்துதல்

உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் கொண்ட SiC மட்பாண்டங்களை தயாரிக்கும் போது பல்வேறு சின்டெரிங் எய்ட்ஸ் அடிக்கடி சேர்க்கப்படுகிறது. அவற்றில், சிண்டரிங் எய்ட்ஸ் வகை மற்றும் உள்ளடக்கம் SiC பீங்கான்களின் வெப்ப கடத்துத்திறனில் பெரும் தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது. எடுத்துக்காட்டாக, Al2O3 சிஸ்டம் சின்டரிங் எய்ட்ஸில் உள்ள Al அல்லது O கூறுகள் SiC லேட்டிஸில் எளிதில் கரைந்து, காலியிடங்கள் மற்றும் குறைபாடுகள் ஏற்படுகின்றன, இது ஃபோனான் சிதறல் அதிர்வெண்ணில் அதிகரிப்புக்கு வழிவகுக்கிறது. கூடுதலாக, சின்டரிங் எய்ட்ஸின் உள்ளடக்கம் குறைவாக இருந்தால், பொருள் சின்டர் மற்றும் அடர்த்தியாக்க கடினமாக உள்ளது, அதே சமயம் சின்டெரிங் எய்ட்ஸின் அதிக உள்ளடக்கம் அசுத்தங்கள் மற்றும் குறைபாடுகளை அதிகரிக்க வழிவகுக்கும். அதிகப்படியான திரவ நிலை சின்டரிங் எய்ட்ஸ் SiC தானியங்களின் வளர்ச்சியைத் தடுக்கலாம் மற்றும் ஃபோனான்களின் சராசரி இலவச பாதையைக் குறைக்கலாம். எனவே, உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் SiC மட்பாண்டங்களைத் தயாரிப்பதற்கு, சின்டரிங் அடர்த்தியின் தேவைகளைப் பூர்த்தி செய்யும் போது, ​​முடிந்தவரை சின்டரிங் எய்ட்ஸின் உள்ளடக்கத்தைக் குறைப்பது அவசியம், மேலும் SiC லேட்டிஸில் கரைக்க கடினமாக இருக்கும் சின்டெரிங் எய்ட்களைத் தேர்வு செய்ய முயற்சிக்கவும்.

*வெவ்வேறு சின்டரிங் எய்ட்ஸ் சேர்க்கப்படும் போது SiC பீங்கான்களின் வெப்ப பண்புகள்

தற்போது, ​​சூடான அழுத்தப்பட்ட SiC மட்பாண்டங்கள், BeO உடன் சின்டரிங் உதவியாக சின்டர் செய்யப்பட்ட அதிகபட்ச அறை-வெப்பநிலை வெப்ப கடத்துத்திறன் (270W·m-1·K-1) உள்ளது. இருப்பினும், BeO என்பது மிகவும் நச்சுப் பொருள் மற்றும் புற்றுநோயை உண்டாக்கும் பொருளாகும், மேலும் இது ஆய்வகங்கள் அல்லது தொழில்துறை துறைகளில் பரவலான பயன்பாட்டிற்கு ஏற்றது அல்ல. Y2O3-Al2O3 அமைப்பின் மிகக் குறைந்த யூடெக்டிக் புள்ளி 1760℃ ஆகும், இது SiC மட்பாண்டங்களுக்கான பொதுவான திரவ-நிலை சின்டரிங் உதவியாகும். இருப்பினும், Al3+ ஆனது SiC லேட்டிஸில் எளிதில் கரைக்கப்படுவதால், இந்த அமைப்பு சின்டரிங் உதவியாகப் பயன்படுத்தப்படும்போது, ​​SiC பீங்கான்களின் அறை-வெப்பநிலை வெப்ப கடத்துத்திறன் 200W·m-1·K-1 ஐ விடக் குறைவாக இருக்கும்.

Y, Sm, Sc, Gd மற்றும் La போன்ற அரிய பூமி கூறுகள் SiC லேட்டிஸில் எளிதில் கரையாது மற்றும் அதிக ஆக்ஸிஜன் தொடர்பு கொண்டவை, இது SiC லட்டுகளின் ஆக்ஸிஜன் உள்ளடக்கத்தை திறம்பட குறைக்கும். எனவே, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) அமைப்பு என்பது உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் (>200W·m-1·K-1) SiC மட்பாண்டங்களை தயாரிப்பதற்கான பொதுவான சின்டரிங் உதவியாகும். Y2O3-Sc2O3 சிஸ்டம் சின்டரிங் உதவியை உதாரணமாக எடுத்துக் கொண்டால், Y3+ மற்றும் Si4+ இன் அயன் விலகல் மதிப்பு பெரியது, மேலும் இரண்டும் திடமான தீர்வுக்கு உட்படாது. 1800~2600℃ இல் தூய SiC இல் Sc கரைதிறன் சிறியது, சுமார் (2~3)×1017atoms·cm-3.

② அதிக வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சை

SiC மட்பாண்டங்களின் உயர் வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சையானது லட்டு குறைபாடுகள், இடப்பெயர்வுகள் மற்றும் எஞ்சிய அழுத்தங்களை நீக்குவதற்கும், சில உருவமற்ற பொருட்களை படிகங்களாக மாற்றுவதற்கும் மற்றும் ஃபோனான் சிதறல் விளைவை பலவீனப்படுத்துவதற்கும் உதவுகிறது. கூடுதலாக, உயர் வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சையானது SiC தானியங்களின் வளர்ச்சியை திறம்பட ஊக்குவிக்கும், மேலும் இறுதியில் பொருளின் வெப்ப பண்புகளை மேம்படுத்தலாம். எடுத்துக்காட்டாக, 1950°C இல் உயர்-வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சைக்குப் பிறகு, SiC மட்பாண்டங்களின் வெப்பப் பரவல் குணகம் 83.03mm2·s-1 இலிருந்து 89.50mm2·s-1 ஆக அதிகரித்தது, மேலும் அறை-வெப்பநிலை வெப்ப கடத்துத்திறன் 180.94W·m இலிருந்து அதிகரித்தது. -1·K-1 முதல் 192.17W·m-1·K-1 வரை. உயர்-வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சையானது SiC மேற்பரப்பு மற்றும் லேட்டிஸில் உள்ள சின்டரிங் உதவியின் ஆக்ஸிஜனேற்ற திறனை திறம்பட மேம்படுத்துகிறது, மேலும் SiC தானியங்களுக்கிடையேயான தொடர்பை இறுக்கமாக்குகிறது. உயர்-வெப்பநிலை வெப்ப சிகிச்சைக்குப் பிறகு, SiC பீங்கான்களின் அறை-வெப்பநிலை வெப்ப கடத்துத்திறன் கணிசமாக மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளது.