Omdat SiC-poeder een belangrijke rol speelt bij de groei van eenkristallen, is de bereiding van hoog{0}}zuiver SiC-poeder de afgelopen jaren geleidelijk een onderzoekshotspot geworden op het gebied van de groei van eenkristallen van SiC.
Er zijn hoofdzakelijk drie methoden voor het synthetiseren van SiC-poeder: de eerste is de vaste-fasemethode, die voornamelijk de carbothermische reductiemethode, de mechanische legeringsmethode en de zelf-zelfpropagerende hoge- temperatuursynthesemethode omvat; de tweede is de vloeistof-fasemethode, waarvan de meest representatieve de sol-gelmethode en de polymeerpyrolysemethode zijn; en de derde is de gas-fasemethode, waarvan de meest representatieve chemische dampdepositie (CVD) en de plasmamethode zijn.
Solide--fasemethode
Carbothermische reductiemethode
Bij de carbothermische reductiemethode wordt gewoonlijk silicapoeder als siliciumbron en roet en petroleumcokes als koolstofbron gebruikt. De koolstofbron en de siliciumbron worden in een bepaalde verhouding gelijkmatig gemengd en vervolgens verwarmd, en na een bepaalde tijd op een bepaalde temperatuur gehouden te worden, wordt siliciumcarbidepoeder gevormd. Vanwege het eenvoudige proces en de lage grondstofkosten is het momenteel de meest gebruikte methode voor de industriële productie van siliciumcarbide.
Momenteel heeft de bereiding van SiC-poeder volgens de traditionele carbothermische reductiemethode nog steeds te kampen met problemen zoals een lage poederzuiverheid, een hoog gehalte aan onzuiverheden, een hoog energieverbruik en een onvoldoende fijnheid van het poeder. Deze methode heeft echter voordelen zoals goedkope grondstoffen, eenvoudige bediening en volwassen technologie, waardoor deze nog steeds een dominante positie inneemt bij de bereiding van siliciumcarbide van lage- kwaliteit.
Mechanische legeringsmethode
Bij de bereiding van siliciumcarbidepoeder door middel van mechanisch legeren wordt doorgaans gebruik gemaakt van de energie die wordt gegenereerd door hoog{0}}kogelmalen om onderlinge botsingen en diffusie tussen reactanten te bevorderen en het gewenste product te vormen. Tijdens het kogelmaalproces, onder de extreem hoge lokale impact en compressie die wordt gegenereerd door de hoge- rotatiesnelheid van hoge- energiemolenkogels, worden nieuw blootgestelde oppervlakken van deeltjes met elkaar gecombineerd. Kogelmalen met hoge-energie zorgt ervoor dat deeltjes een groot aantal defecten veroorzaken. Aangedreven door vrije energie diffunderen atomen tussen deeltjesoppervlakken in elkaar, waardoor een nieuwe fase ontstaat.
De mechanische legeringsmethode heeft voordelen zoals eenvoudige productietechnologie, lage kosten en de mogelijkheid om massaproductie van siliciumcarbidepoeder te realiseren. Omdat de synthese van SiC-poeder door middel van mechanische legering echter wordt bereikt door middel van willekeurige botsingsbewegingen, hebben de productdeeltjes doorgaans een brede deeltjesgrootteverdeling en is er nog steeds classificatietechnologie nodig om het materiaal te screenen. Tegelijkertijd worden tijdens het kogelmaalproces heel gemakkelijk onzuiverheden uit de maalmedia en maalpotten geïntroduceerd, en omdat het grondstofpoeder gewoonlijk via oppervlakte-op-oppervlaktereacties reageert, zal er waarschijnlijk een onvolledige reactie optreden. Samenvattend is mechanisch legeren geen ideale methode voor het synthetiseren van hoog-zuiver SiC-poeder.
Zelf-synthesemethode bij hoge- temperatuur
De zelfpropagerende synthesemethode bij hoge- temperaturen behoort tot de vaste-fasesynthesemethode. Bij deze methode worden onder de voorwaarde van een externe verwarmingsbron activatoren toegevoegd zodat de chemische reactie van de reactanten spontaan en continu verloopt. De toevoeging van activatoren introduceert echter onvermijdelijk andere onzuiverheden. Om de zuiverheid van het product te garanderen, kiezen onderzoekers ervoor om de reactietemperatuur te verhogen en door te gaan met verwarmen om de reactie in stand te houden. Deze methode wordt de verbeterde zelf-voortplantende hoge- temperatuursynthesemethode genoemd.
De verbeterde zelf-voortplantende synthesemethode bij hoge- temperatuur heeft een eenvoudig bereidingsproces en een hoge synthese-efficiëntie, en wordt veel gebruikt in de industrie om SiC-poeder met hoge-zuiverheid te produceren. Deze methode maakt gebruik van vaste Si-bronnen en C-bronnen als grondstoffen, waardoor ze continu reageren bij een hoge temperatuur van 1400-2000 graden C, en uiteindelijk een hoog-zuiver SiC-poeder wordt verkregen. Momenteel ligt de onderzoeksfocus van de verbeterde zelfvoortplantende synthesemethode voor het bereiden van SiC-poeder op het verminderen van het N-elementgehalte in SiC-poeder.
Vloeistof-fasemethode
Sol-Gel-methode
Momenteel kan van de vloeibare-fasemethoden alleen de sol-gelmethode hoog-zuiver SiC-poeder synthetiseren. Het bereidingsproces bestaat uit het oplossen van anorganische zouten of alkoxiden in een oplosmiddel (water of alcohol) om een uniforme oplossing te vormen, waardoor een uniforme sol wordt verkregen, die vervolgens door drogen of dehydratatie wordt omgezet in een gel en vervolgens wordt onderworpen aan een warmtebehandeling om het vereiste ultrafijne poeder te verkrijgen.
Siliciumcarbidepoeder, gesynthetiseerd met de sol-gel-methode, werd voor het eerst gebruikt voor het sinteren van siliciumcarbide-keramiek. Met voortdurende verbetering van het proces is de zuiverheid van het gesynthetiseerde poeder ook blijven toenemen. Momenteel kan SiC-poeder bereid met de sol-gel-methode al worden gebruikt voor de groei van één kristal. Met de sol-gel-methode kan zeer-zuiver, ultrafijn SiC-poeder worden bereid, maar de bereidingskosten zijn relatief hoog en het syntheseproces is complex, dus het is niet geschikt voor industriële productie.
Polymeerpyrolysemethode
De polymeerpyrolysemethode produceert voornamelijk SiC-poeder door organische polymeren bij hoge temperatuur te ontbinden. Deze synthesemethode is hoofdzakelijk verdeeld in twee categorieën: de ene is het verwarmen van een precursor om een ontledingsreactie te ondergaan en kleine monomeren vrij te geven, waarbij SiO2 en C worden gevormd, en vervolgens het bereiden van SiC-poeder door middel van een carbothermische reductiereactie; de andere verhit een voorloper om een monomeer Si-C-skelet vrij te maken, waardoor uiteindelijk SiC-poeder ontstaat. Er waren in de jaren negentig veel verwante onderzoeken naar de polymeerpyrolysemethode, maar de afgelopen jaren hebben weinig relevante onderzoekers deze methode genoemd, voornamelijk vanwege de lage productconversie, de zeer hoge grondstofkosten en de relatief grote vervuiling.
Gas-Fasemethode
Chemische dampafzettingsmethode (CVD)
De CVD-methode verkrijgt ultrafijn, hoog{0}}zuiver Si-poeder door de reactie van gassen op hoge- temperatuur. De Si-bron wordt in het algemeen gekozen uit SiH4 en SiCl4, enz., en de C-bron wordt in het algemeen gekozen uit CH4, C2H2 en CCl4, enz., terwijl gassen zoals (CH3)2SiCl2 en Si(CH3)4 tegelijkertijd zowel de Si-bron als de C-bron kunnen leveren. De zuiverheid van deze gassen ligt boven de 99,9999%.
Momenteel maakt de CVD-methode vooral gebruik van organische gasbronnen als grondstof. Deze methode vereist nauwkeurige controle van het inlaatdebiet van de apparatuur en stelt extreem hoge eisen aan de zuiverheid van de synthesegasbronnen en interne grafietonderdelen. Tegelijkertijd worden, omdat er veel bijproducten zijn van de chemische reactie, corrosieve en giftige gassen zoals chloriden heel gemakkelijk geproduceerd, wat hoge eisen stelt aan operators en apparatuur, en daarom blijven de productiekosten ook hoog. Bovendien is het met deze methode gesynthetiseerde poeder ultrafijn poeder op nanoschaal, dat niet gemakkelijk te verzamelen is. Vanwege de beperkingen van chemische dampafzetting zelf is de synthesesnelheid bovendien relatief laag, en op dit moment kan er geen productie op grote-schaal van hoog-zuiver SiC-poeder worden bereikt.
Plasma-methode
Bij de plasmamethode worden reactiegassen in een plasmacontainer geleid die wordt geëxciteerd door een radio{0}}stroombron. De gassen reageren met elkaar bij botsingen met elektronen met hoge-snelheid, waardoor uiteindelijk SiC-poeder met hoge-zuiverheid ontstaat. De gasbronnen die bij de plasmamethode worden gebruikt, zijn dezelfde als die bij de CVD-methode en de gaszuiverheid ligt ook boven de 99,9999%.
De plasmamethode kan SiC-poeder met hoge{0}}zuiverheid synthetiseren en de deeltjesgrootteverdeling van het poeder is uniform, zonder problemen met vervuiling. De deeltjesgrootte van het gesynthetiseerde poeder is echter te klein om te voldoen aan de eisen van monokristallijne groei, en verdere verwerking is nodig voordat het voor kristalgroei kan worden gebruikt. Bovendien heeft de apparatuur een korte levensduur en hoge kosten.