Наноөлшемді кремний карбиді: синтезі, құрылымы, қасиеттері
МАЗМҰНЫ
I. Кіріспе
II. Синтез ерекшеліктері
III. Құрылымы мен қасиеттері
IV. Қорытынды
I. Кіріспе
II. Синтез ерекшеліктері
III. Құрылымы мен қасиеттері
IV. Қорытынды
Физико-химиялық және физико-механикалық қасиеттерінің кеңдігінен, сонымен қатар, кремний карбиді негізіндегі монокристалдық және поликристалдық материалдардың кеңінен қолданысы көптен ғалымдар көңілінде жүр. 2005 жылға дейінгі басылымдағы кейбір SiC нанокристалы жайлы анықтамалар [4,5]үлгілерде көрсетілген, олар тарбалқымалы қосылыстарға арналған. Бірақ нано-SiC жайлы басылым саны, яғни нанотехнология саласындағы бүкіл ақпарат ағыны соңғы кезде ұлғаюда. SCOPUS мәліметтер базасындағы ақпараттар бойынша 2008 жылы ~100мақала SiC негізіндегі аморфты объектілер мен нанокристалдарға арналған. Алдыннан белгілі көрсеткіштері, яғни жоғары беріктілік, коррозиялық және радиоциондық тұрақтылықтылығымен, перспективті жоғары температуралы жартылайөткізгішті қасиеттерімен қатар кремний карбидінің қызықты оптикалық және биологиялық ерекшеліктері бекітілген. Бұлардың барлығы SiC негізіндегі наноматериалдардың зерттелуі мен өңделуінің соңғы тенденцияларының анализіне алып келеді. Ең басты көңіл 2006-2009 жылдардағы еңбектерге бөлінген, [4,5]басылымдарға қарағанда. Сонымен қатар, нанокристалдық объектілeрден басқа рентгеноаморфты қосылыстар да сипатталған, себебі кремний карбиді аморфизацияға негізделген.
НАНОӨЛШЕМДІ КРЕМНИЙ КАРБИДІ:
СИНТЕЗІ, ҚҰРЫЛЫМЫ, ҚАСИЕТТЕРІ
МАЗМҰНЫ
I. Кіріспе
II. Синтез ерекшеліктері
III. Құрылымы мен қасиеттері
IV. Қорытынды
I. КІРІСПЕ
Физико-химиялық және физико-механикалық қасиеттерінің кеңдігінен, сонымен қатар, кремний карбиді негізіндегі монокристалдық және поликристалдық материалдардың кеңінен қолданысы көптен ғалымдар көңілінде жүр. 2005 жылға дейінгі басылымдағы кейбір SiC нанокристалы жайлы анықтамалар [4,5]үлгілерде көрсетілген, олар тарбалқымалы қосылыстарға арналған. Бірақ нано-SiC жайлы басылым саны, яғни нанотехнология саласындағы бүкіл ақпарат ағыны соңғы кезде ұлғаюда. SCOPUS мәліметтер базасындағы ақпараттар бойынша 2008 жылы ~100мақала SiC негізіндегі аморфты объектілер мен нанокристалдарға арналған. Алдыннан белгілі көрсеткіштері, яғни жоғары беріктілік, коррозиялық және радиоциондық тұрақтылықтылығымен, перспективті жоғары температуралы жартылайөткізгішті қасиеттерімен қатар кремний карбидінің қызықты оптикалық және биологиялық ерекшеліктері бекітілген. Бұлардың барлығы SiC негізіндегі наноматериалдардың зерттелуі мен өңделуінің соңғы тенденцияларының анализіне алып келеді. Ең басты көңіл 2006-2009 жылдардағы еңбектерге бөлінген, [4,5]басылымдарға қарағанда. Сонымен қатар, нанокристалдық объектілeрден басқа рентгеноаморфты қосылыстар да сипатталған, себебі кремний карбиді аморфизацияға негізделген.
Кесте 1. Кремний карбидінің көп таралған политиптерінің басты физико-химиялық сипаттары.
Политиптің 3C-SiC 2H-SiC 4H-SiC 6H-SiC
сипаттамасы (β-SiC) (α-SiC) (α-SiC) (α-SiC)
Құрылымдық F43m P63mc P63mc P63mc
топ
Гексогональдық, 0 100 50 33
%
Қабаттардың ABC AB ABCB ABCACB
кезектесуі
(1-cурет)
Тор периоды
а 0,43589- 0,30753- 0,3070 0,3073-
0,43596 0,3081 0,3081 0,3081
с - 0,5031 1,0053- 1,51092-
0,5048 1,008 1,512
Кесте
белгілері
а 0,4359 0,3079 0,3073 0,3080
с - 0,5053 1,053 0,1,5117
Тығыздық, 3,215 3,219 3,215 3,212
г ∙см-3
Тыйым 2,39 3,33 3,26 3,02
салынған
өңір
ені,эВ
Электронң 1000 - 850 450
300К-дегі қозғ.
см[2] ∙ В[-1] ∙ с[-1]
Кемтіктердің 40 - 120 100
300К-дегі қозғ.
см2 ∙ В-1 ∙ с -1
1-сурет. Кремний мен көміртек атомдарының жазықтықтағы позициялары (1120).7 a-3C-SiC, b-2H-SiC, c-6H-SiС
Кремний карбидінің құрылымының көптеген модификациясы бар (бір өлшемдегі полиморфтар деуге болады). Олардың жалпы саны 200. 1-ші кестеде нанообъектілермен ыңғайлы түсінігі мен салыстыруы үшін кремний карбидінің көп таралған сипаты көрсетілген, ал 1-ші суретте политип құрылымында көміртек пен кремний атомдарының позициялары көрсетілген. Кремний карбидінің политипінің құрамы алдымен алу шарттары (температура,қысым,қоршаған орта) мен қоспаның болуымен анықталады. Кубтық политип қоспаның болуымен анықталады. Кубтық политип 3C-SiC(β-SiC) гексагональды политипке қарағанда тұрақтырақ болады (~21000C-ге дейін). Ең тұрақсыз политип 2Н болып саналады. Кубтық және үш түрлі гексагональды политиптен басқа кремний карбидіне он бесқабатты политип 15R тән (құрылымдық тобы R3m, тыйым салынған өңір ені 2,99эВ). Кремний карбид политипінің электрофизикалық сипатының түрлілігі гетероқұрылымды негіздегі перспективті объекттің пайда болуына алып келеді және де SiC-нің қасиеттеріне өлшемді тәуелді эффектілердің заңдылықтарының әсері ерекше актуалдық береді.
ІІ. СИНТЕЗ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
1. Наноұнтақтар, матрицадағы нанобөлшектер, нанокеуекті құрылым, наносымдар, нанотүтіктер
Кремний карбидінің наноұнтақтары бірнеше фирмаларда өндіріледі. Мысалға, "PlasmaChem GmbH" (Германия) фирмасы бөлшектері орташа өлшемді 20 +- 7 нм және тазалығы 95% болатын SiC наноұнтағын ұсынады. (бос күйдегі кремний құрамы 0,75%, оттек 1,25%, хлор 0,25%).
Соңғы жылдарда басылымдағы SіC наноұнтақтарының синтезделуі жайлы жұмыстарда жоғары тұтқырлықты, төмен қысымда пайда болған өлшемі 4-6 нм рентгеноаморфты ұнтақтарда тэтраметилсиланның орналасу ерекшелігі зерттелген. β-SіC наноұнтағын алу кезінде кремний мен көміртектің үйлесімділігінің кинетикасы алдын ала механикалық белсенді өңделудің әсерінен болатыны анықталды. Пештегі синтез және плазмада алынған ұнтақтардың дисперстілігі салыстырылуы жүргізілді. Бұл жұмыстар [4,5]үлгіде көрсетілген карботермиялық, плазмохимиялық және лазерьлі синтезбен бұрыннан зерттелуінің жалғасы болып келеді. Қазіргі уақытта ғалымдар назары матрицадан наноөлшемді SіC бөлшектерін, сонымен қатар карбидокремнийлік наносымдар мен нанотүтікшелерін алуда. Басты технологиялық әдістер: электрохимиялық және химиялық жеміру, кремний және оның оксидінің карбидизациясы,кремнийде көміртек иондарының имплантациясы, SіO2 типтегі матрицада кремний мен көміртек иондарының бірігуі қолданылады. Наноөлшемді кремнийді алу әдістері монография [13]-те көрсетілген (наноэлектроникаға арналған материал), ал наноөлшемді SіC үлгі [14]-те көрсетілген (2005-ші жылды қосқандағы бүкіл жұмыс нәтижесі).
Нанокеуек Si және SiC үшін фотолюменисценция (ФЛ) күшеюі қадағаланады. Кремний карбидінің төсеніштеріне арналған төмен температуралы ФЛ спектріеің кеуекті қабат SіC мен өлшемі 10нм болатын SіC нанобөлшектері 2-суретте көрсетілген. Соңғы екі объект үшін ФЛ ұлғаюы анық көрсетілген, ал дәлірек изоляцияланған нанобөлшектер үшін. Егер 6H-SіC шығу үлгісіне 1,7-2,6 эВ энергия облысында әлсіз сәулелену сипатталса, яғни кеуекті үлгілер жеміруден кейін және изоляцияланған нанобөлшектердің интенсивті энергия диапозоны кең 1,6-3,5 эВ аралығындағы люменисценция қадағаланады. Ол кванттық-өлшемді эффектпен байланысады.
2-сурет. ФЛ спектрінің стандартты төсеніші 6H-SiC (1), наноқуысты SiC қабаты анодталған төсеніш арқылы алынған (2), нанокеуекті қабаттың интенсивті үгітілуі арқылы алынған нанобөлшек SiC (3).
ФЛ-ны сызығы 5,08 эВ болатын аргонды лазерьдің қозуымен өлшеген. Суретте 6H-SiC прототипіне арналған тыйым салынған өңір ені және ФЛ шыңдарының энергиясы түсіндірілген.
3-сурет. SіC нанокристалының этил спиртіндегі (a) жарықпольді электрлік-микроскопиялық кескіні және олардың өлшем бойынша таралуы (b)
Сонымен қатар, ФЛ ұлғаюы үшін қосылған үлесін нанокеуек бетіне ақау құрылымы енгізеді, олар жеміру кезінде пайда болады.
Электрохимиялық анодты жеміру HF-EtOH (1:1) ерітіндісінде ток тығыздығы 210 мА∙ см-2 болғанда 25 минут ішінде пайда болады; кеуекті қабаттың (қалыңдығы ~ 100мкм ) төсеніштен бөлу үшін ток аз уақытқа 1А ∙ см-2 ұлғаяды. Сонымен қатар, кәдімгі 3C-SiC ұнтақтарының дезинтеграциясының 1000С-да 1 сағатта HNO3-HF(1:3) ерітіндісінде химиялық жеміру жолымен ортафигураланады, жуылады және кептіріледі. SiC нанобөлшегінің электро-микроскоптық кескіні, гистограмма және оның өлшем бойынша орналасуы, бір бөлшектің микрофотографиясы 3-суретте көрсетілген. Алынған бөлшектер дөңгелек формада және өлшемдері бойынша бірдей болады (орташа өлшемі 3,75нм).
Кеуекті кремний карбидінің жасау технологиясында SiC-ның синтез процесі және кеуекті қаңқа қалыптасуы әдетте біріктіріледі, ол температура төмендеуі мен жұқакеуекті құрылым пайда болуына алып келеді. Сол себепті кремний ұнтағының ерітіндісінің фуллеренмен немесе натрий буындағы тұнбамен қызуы ~7000 С-та қуыстылығы ~70% , қуыс диаметрі 2-10 нм болатын нанометрлі өлшемді кристалит β- SiC синтездейді. Наноөлшемді ұнтақ SiC-дан жасалған поликарбосилан пиролизі нанокеуекті үлгі алуға мүмкіндік береді. SiC наносымдары (диаметрі ~100нм, ұзындығы бірнеше ондаған микрометр) негізіндегі кеуекті материалдар SiO2-нің карботермиялық жолмен қалыптасуы арқылы алуға болады.
Кеуекті кремнийдің карбидизациясы электрохимиялық жеміру арқылы алынуын зерттеу нәтижесінде 1200-13000C температурада өлшемдері 5-7 нм 3C-SіC нанокристалдары пайда болады. Бұл процесс механизімінің ерекшелігінде гетероқұрылым пайда болады, құрамына кремний нанокристалы мен нанаоөлшемді аморфты бөлшек SiC кіреді.
Тағы жұмыстарда SіC нанобөлшектерінің имплантациондық синтез ерекшелігі зерттелген. Ең алғаш өткізілген зерттеулерде кремний төсенішіндегі көміртек ионының имплантациясы термиялық күйдіру мен электрохимиялық жеміру арқылы өлшемі ~2-5 нм болатын β - SіC нанокристалының пайда болуына және 445 нм облысындағы ФЛ спектрінде жаңа шың тууына алып келеді (2,79эВ, 2-сурет), төсенішке қарағанда ФЛ шыңының интенсивтілігі 2,7 есе жоғары, ол аналогиялық жолмен өңделген, бірақ көміртек имплантантысыз. Сәулелену дозасы синтезделіп жатқан SіC нанокристалының оптикалық және күйдірудің құрылымға қатысы мен температурасы зерттелген, оларды кремний немесе көміртек иондарының жеке имплантанты, сонымен қатар осы екі ионмен біріккен имплантацияны SіО2 қабыршақтарының төсеніші ретінде қолдануға болады. Соңғы жағдайдағы берілген ЭПР әдісі, рентгенді фотоэлектронды спектроскопиясы, ФЛ спектроскопиясы, жоғары рұқсат етілген жарықталған электрондық микроскопия және т.б. да имплантациядан кейін пайда болу бекітілген және де бірнеше кристалдық және аморфты кремний наноқосқыштарының, өлшемі ~5нм кремний мен көміртек карбидінің қосымша күйдіру, олардың пайда болу механизмі қиын және соңына дейін түсініксіз.
Кесте 2. SіC наносымдарының сипаты.
Синтез Диаметр, Ұзындық, Қиылысу Фаза ФЛ Нұсқау
ұзақ.сағ, нм мкм форма. құр. Болуы
4-9 ~200 10-20 гексоді β-SіC Жоқ 25
2 50-200 бірнеше Ізі Шыңдар 26
ондаған α- SіC, 289,
C,O; 391нм
Қабығы-
SіО2
1 60-100 бірнеше Шеңбер β-SіC Жоқ 27
бірлік Қабығы-
SіО2
Имплантанттық синтездің кремний планарлы технологиясымен сәйкес келетіндігімен ерекшеленеді және кеңзоналы матрица SіO2-де тізбектелген SіC нанобөлшектерінің жоғары химиялық және механикалық тұрақтылығымен жорамалданады.
Кремний ионының көміртек нанотүтікшелеріндегі имплантанты жұмыста [24] зерттелді . Имплантталған түтікшелердің құрылымы мен құрамын мына әдістер ЖРЕЖЭМ, РФС, ЭДС арқылы рентгеноаморфты кремний карбидінің пайда болуы анықталды және де кристализация үшін қосымша күйдіру қажет екені көрсетілді. Бірнеше кремнийкарбидті наносымдар мен нанотүтіктерді кремний буының көміртекпен арласу нәтижесіндегі тура синтездеу әдісімен алуға арналған зерттеулер белгілі.SiC синтезі орындалатын реакциялар мыналар:
1. 2C (қ) + O2 = 2CO,
2. 2Si (г) + O2 = 2SiO (г),
3. SiO (г) + 2C (қ) = SiC (қ) + CO,
4. SiO (г) + CO = SiC (қ) + O2,
5. 3SiO (г) + 3C (қ) = 2SiC (қ) + SiO (қ) + CO2,
6. SiO (г) + 3CO = SiC (қ) + 2CO2,
7. CO2 + C (қ) = 2CO,
8. 3SiO (г) + CO = SiC (қ) + 2SiO2(қ),
9. 4CO + 6Si (қ) = 4SiC (қ) + 2SiO2 (қ).
Осы реакциялардың кейбіреуі CO, SiO және SiO2 өңделуіне көмектеседі. Реакциялық схема болуы температура мен қанығу дәрежесіне тәуелді болады, бірақ бұл реакцияладың кезеңділігі мен механизмі бекітілгені зерттелмеді.
Айта кетсек, SіC наносымдарын 16000C аргон атмосферасында буландыру арқылы жасауға болады, әртүрлі шығу компоненттерін қолдана отырып: графитті тигельдегі кремний және графитті төсеніш ((1)-(4) реакциялар); кремний мен графит ұнтақтарының қоспасы, кремний монооксиді мен тұнба ұнтақтарының қоспасы, ол плазмалық өңдеу арқылы белсендірілген ((5)-(8) реакциялар). Жоғары масштабты синтезге арналған бұл зерттеулердің нәтижесін кесте 2-мен салыстыруға болады. Бүкіл технологиялық процестерді катализатор қатысынсыз өткізеді т.б., өсу механизмнің схемасы мынау бола алады бу -- қатты дене; кристалл өсуінің бағыты 111. SіC гексагональды және шеңбер қиылысқан наносымдарының жалпы бейнесі 4-суретте көрсетілген. Кремний жерлік қабатының бар екені білініп тұр ( 4-сурет b, c); рентгенфазалық сараптау бойынша кремний оксиді рентгеноаморфты күйге тән.
Шығу компоненттерінің табиғаты синтез процесіне әсер ететіні белгілі, бірақ керекті таңдау жасау қиындау, өйткені соңғы өнімнің құрамы мен қасиеттері жайлы мәлімет шектеулі болады.
Никельді катализатор қолдана отырып 3C-SіC құрылымды наносымның температурасын 1050-11000С-ке дейін төмендетуге болады, СО-ны SiO2Si фазасының бөлу шекарасымен әректтестіре отырып
((9)реакция).
β-SiC нанотүтіктерін әртүрлі әдістермен синтездеуге болады, мысалы, 12000C-та 100 сағатта SiО буының көміртек нанотүтігімен әрекеттесуі немесе 10000C-та 1 сағатта катализатор қатысында метилүшхлорсиланның сутекпен әрекеттесуінің қайта қалпына келуі. Нанотүтікшелердің беттік диаметрі 20-80 нм, ал ішкі диаметр 15-тен 35 нм интервалы аралығында болады. Me3SiCl мен сутектің β-SiC алудағы қайта қалпына келтіретін оптимальді температурасы ~12000C
4-сурет. ЖРЕЖЭМ бойынша берілген SіC нанотүтігі. a, b, c-жұмыс берілгендері
2. ҚАБЫҚШАЛАР МЕН ЖИЫНТЫҚТАР
Наноөлшемді SiC қабықшаларын алу үшін газфазалық суыту (белгілі физикалық (PVD) және химиялық нұсқалар (CVD)): көміртек пен кремний нысаналарының қатысындағы реактивті магнетронды синтез, карбидкремний нысанасының қатысындағы реактивті емес магнетронды синтез, гибридті лазерлі-магнетронды синтез, пульстелген лазерлі синтез, электр-сәулелік булану, плазма қатысындағы CVD және т.б. Сонымен қатар, сублимация мен молекулярлы-сәулелік эпитаксия әдістері қолданылады. Допирленген азоттағы SiC қабыршақ алу үшін газ пайда болған ортаға (SiH4+C2H2 қоспасы) аммиак қосады, β-SiC типтегі композитті қабыршақты синтездеу үшін газ пайда болатын ортада алмазды пісіреді (H2+CH4+SiMe4 қоспасы).
Магнетрондық синтез бен химиялық газфазалық тұнудың кейбір параметрлері 3-кестеде көрсетілген.Осы мәліметтерді қолдана отырып, SiC қабықшасының көп жағдайда балғынтұндырушысы рентгеноаморфты болады және де оларды кристалдық күйге ауыстыру үшін төсеніш температурасын ұлғайтады, не қосымша күйдіреді. Әдетте қабықшаның құрылымдық күйі РФА әдісімен анықталады, ПЭМ, ИК-спектрінің пайда болуы анализімен және комбинациялық шашырау спектрлері, сонымен қатар РФС. Қабықша құрамын РФС, ЭДС,резерфорд шашырауының кері спектроскопиясы, энергиясын "жоғалтқан" электрон спектроскопиясы әдістерімен зерттелген.
SiC қабырқшаларының КР, РФА және ИС спектрлерінің температуралық эволюциясы аргон мен сутекті-аргон плазмасындағы реактивті магнетронды синтез,газдық ерітіндісі силан, метан және сутектегі молибденді сымды CVD әдістерімен алынған мысалдар 5-суретте көрсетілген.
Жұмыста бұл спектрлердің ерекшеліктері қабырқшаға, наносымдарға, наноинеге және т.б. SiC нанообъект қолданылуы дәлірек сипатталған, олар пульстелген лазерленген сәулелену әдісімен кремний төсенішінде алынған. Көбінесе, β - SiC рентгенограммаларының жарық көрсетілген шыңда кішкене рефлекстер бар екені көрсетілген, олар қаптау ақауларымен байланысқан.
SiC политиптерінің кристализациясының температуралық шарттары әртүрлі және көптеген эксперименттер мен кинетикалық параметрлерге тәуелді. Сонымен қатар, кристалит өлшемдерінің әртүрлі температуралық тәуелділіктері сипатталады, мысалы, кремний мен көміртек иондарының біріккен тұнбасының температура көбейген жағдайдағы өлшемінің монотонды өзгеруі.
SiC-ның кремнийге қаттыфазалық эпитаксия әдісі қолданылады, ол кремний монокристалының көміртек оксидімен өңделуі болып келеді. Бұндай әрекеттесу нәтижесінде кремний қабаттарында газтәріздес SiО-ның пайда болуы мен жоғалуы арқасында вакансия мен кеуек қалыптасып, серпімді күш релаксациясына сай келеді, олар кремний мен кремний карбидінің сәйкес келмейтіндігінен шығады. Қалыңдығы 20-100 нм SiС кремний қабықшасының эпитаксиалды өсуіне алып келеді. Осыған сай, ұрыққалыптасудың термодинамикалық теориясы дамыған және төсеніштегі вакансия мен кеуек арқасында күш релаксациясының моделі ұсынылған. Экспериментальді жүзінде қабыршақтар 4Н немесе 3С политиптер негізінде қалыптасады және де олардың қоспалары да. 4Н және 3С политиптерінің ФЛ спектрлері 6-суретте көрсетілген; шыңдар толқын ұзындықтарына ~380 және ~540 нм сай келеді. Кубтық политиптің ФЛ спектрі көк түстің сәулеленуіне жақын.
8500C температурада Li-Si ерітіндісінде 4H-SiC төсенішінде 2H-SiC қабыршағының сұйықфазалы эпитаксиясы [43]жұмыста көрсетілген.
Алу әдісі Күйдіру Фаза Кристалит Анықт. Нұсқау
темп. құрамы өлшемі әдіс .
C және Si 1100 β-SiC 7,3+_0,4 РСА 32
нысана 3-10 ЖРЕЖЭМ
қолддағы
магнетр.
реактивті
әдіс(Si
төсеніш).
Магнетр. 950 80% β-SiC 8-10 РСА 33
реактивті 1140 85% (α+β)- 17 ФЭС
әдіс(ион -SiC
энер~90,
төсенрSi,
Al2O3,Mо,
SiO2,тұну
темп.
700-1050OC).
H2+Ar еріт. - 3C-SiC+ 4-5 ЖРЕЖЭМ 35
200-6000С 6H-SiC
магнетр.
реак. әдіс
төсеніш Si.
CH4+SiH4+Ar 1300 2H-SiC+ 15 ЖРЕЖЭМ 36
ерітінддегі 4H-SiC 5 РСА
Si,SiO2 төсен.
3500C-тағы
плазмағы
активн
тұну.
Молибден - 3C-SiC 6-12 РСА 37
сымдағы
SiH4+ CH4+Н2
ерітіндгі
100-4300-ғы
тұну
6-сурет. 4H-SiC(a) және 3C-SiC(b) политиптерінің 77K-дегі ФЛ спектрлері.
Наноөлшемді SiC қабықшаның синтезін алғанға қарағанда көлемді наноматериал алу оңайырақ. Консолидация температурасындағы наноұнтақтардың рекристализациясының интенсивтілігі көлемді наноқұрылымды материал алуды қиындатады. Жоғары қысым мен жоғары температура техникасын қолдана отырып кристалит кеңдігі ~20 нм болатын SiC үлгісін алудың өзі қиын.
ІІІ. ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН ҚАСИЕТТЕРІ
1. Құрылымдық ерекшеліктері және құрамы
Әдебиеттерде көптеген көміртекті вакансияның SiC политипіне арналған стехиометриялық коэффиценті мен концентрациясы көрсетілген (табл.4). Нано- SiC политипінің құрылымдық зерттелуі аса анық емес, ол стехиометрия мен вакансиялық сипаттының өлшемді эффектісінің өшірілуіне көз қарасы.
Табл. 4. Si:C ара қатынасы және SiC әртүрлі политиптеріндегі көміртек вакансиясының орташа концентрациясы.
Политип Si:C Nc, 1020 см[-3]
3C 1.046 33.6
6H 1.022 16.3
15R 1.012 15.1
4H 1.001 7.3
7-сурет. Кремний төсенішінің аморфты қабыршақ SiC кристализациясына әсері.
T,0C: 200(a), 300(b), 400(c), 600(d). Қойғыштарда микроэлектрограммалар көрсетілген, шағылған күйдегі нанокристалиттер қоршалған.
Кубтық нано-SiC политипi үшін тор а периоды келесідей болады, нм: 0,436 (кристалиттер өлшемі 4-7 нм); 0,4353 (диаметрі 200 нм наносымдар); 0,4370 (диаметрі 60-100 нм наносымдар); 0,4361 (диаметрі 60-70нм наносымдар); 0,438 (кристалиттер өлшемі 2-5 нм). 6Н политипі үшін: a=0,309 нм, c=1,525 нм. Бұл өлшемдер табл. 1 өлшемдермен ұқсас, бірақ өлшемдік фактор мен тор периодына қатысты ерітінділерді қарастыру қиын және де α мен β политиптерінің наноқосқыштарында тор периодтарының көлемді аналогтарына қарағанда тор периодтарының кеңеюі көрсетіледі.
Аморфты және нанокристалдық SiC қабыршақтарын жандыру кезінде көміртек,аргон және сутек бөлу процесі көптеген жұмыс қатарында зерттелген. РФА, ЖЕЖЭМ, ИК-спектроскопия және т.б. әдістер көмегімен Si-Si, C-C, Si-C атомаралық қатынастарында температурасының өзгеруін қадағалау мүмкін және қабыршақ құрамы мен құрылымының өзгеруін анықтау. Электрондық-сәулелік булану жолымен тұндырылған үлгілерге ЭДС әдісімен көміртек пен кремний құрамының өзгерісі анықталды. Кремний шығынын кремний төсеніші үлесіне қосады, сонымен қатар оттек ерітіндісі де қатысады.
T, 0C 500 1000 1200
Ат. құрамындағы C, % 24,18 17,95 15,20
Ат. құрамындағы Si, % 75,65 81,12 83,51
SiC қабыршақтарының көлденең қиылысының ЖЕЖЭМ-кескіні 7-суретте көрсетілген, кремний төсенішінде әртүрлі температурада сутек-аргонды плазмада тозаңдатылған магнетронды әдісімен жүргізіледі. Температура көтерілген кезде аморфты матрицада SiC наноқосқыштарының кристализациясы пайда болады, осындай корреляцияларға рұқсат етілген және де ИК-спектрлерінің эволюциясында (5-сурет,с). Құрылымда орама мен егіз қателіктері бар екенін алынған ақпарат анализі көрсеткен. Пропан-силанды ізашар қолданып CVD технологиясымен өсірілген кремний төсеніштерінің β-SiC қабаттарының ақаулығын ПЭМ және ЖЕЖЭМ әдістерімен зерттелуі орама мен егіздің қателігінің бар екені көрсетті. Осы планарлы ақаулардың болуы SiCSi бөлімінің шекарасында кристалиттердің өсу ерекшелігімен және кремний карбидінде орама ақауларының төменгі энергиясымен байланыстырады. Наноөлшемді SiC-ның өлшемдік эффект рөлі орама ақауының энергиясы өзгерісі 49жұмыста анализделген.
Қуыстың болуы, әртүрлі политиптердің пайда болуы, орама ақауларының ары қарай сай болуы және қалыптасуы көзделіп тұр және қатты фазалық эпитаксия әдісімен синтезделген SiC қабыршақтарында да.
SiC өскен ұрығының морфологиясы атомдық-күш микроскопиясымен қадағаланған. Кремний төсенішіндегі электронды-сәулелік әдісімен көміртекті тұндырғаннан кейінгі ұрық пайда болуы 8-суретте көрсетілген.
8-сурет. АКМ-SiC ұрығындағы кескін, көміртек буында тұндырылғанда пайда болды.
Ағын 5*10[13]cм[-2]с[-1]; T=925[0]C; t=10c.
Бұл ұрықтар конустәріздес формада орташа радиусты ~70 нм және орташа биіктігі ~4нм;олардың беттік тығыздығы ~109 см-2.Молекулярлы динамика әдісімен ұрықтардың физикалық моделінің пайда болуының өңделуі және өсуі көрсетілген. Уақыттың теориялық бағалануы бойынша екіөлшемділіктен үшөлшемділікке ауысуы экспериментальді мәліметтерге сай келеді.
2. Қасиеттері
Магнетронды тұндырудың температура әсері мен жанудан кейінгі қалыңдығы 3,2-4,4 мкм SiC қабыршақтарының қасиеттері н сипаттайды,олар табл. 5 пен 9-суретте көрсетілген. Салыстыру үшін табл. 5-те SiC үлгісінің пісірілген және монокристалдық қасиеттері көрсетілген.
Таблица 5. Әртүрлі температуралық режимде алынған SiC қабыршақтарының қаттылығы мен серпімділік модулі, фазалық құрамы
Тұндырылған күйде SiC қабыршақтары рентгеноаморфты болады, олардың құрамында аргонның үлесі жоғары және көптеген қалдық қысушы күштер болады. Тұндыру температурасы көтерілгенде және қайта жану болғанда аргон құрамы азаяды, қалдық қысушы күштер де азаяды, ал олардың серпімділік модулі мен қаттылығы жоғарлайды. Қыздыру әсерінен аморфты қабыршақтар кристализацияланады, ЖЕЖЭМ мәліметтері бойынша ~3000C-тан бастап өлшемдері 1-6 нм β-SiC нанокристалиттері прогрессивті бөлінуі көрінеді. Қабыршақ қасиеттеріне араласқан кері күштің кеңдігі әсер етеді. Серпімділік модулі мен қаттылықтың ұлғаюы көптеген факторлардың әсерін көрсетеді, олардың таза күйін бөліп шығару қиын.
Қабыршақтардың серпімділік модулі мен қаттылығының көрсеткіштерін салыстырғанда, яғни ірікристалдық және монокристалдық үлгілер, аморфты нанокристалдық құрылымдағы SiC үлгілерінің серпімділік және қаттылық сипаттары кәдімгі пісірілген объекттерден төмен болады, көбінесе монокристалиттер. Бұны қабыршақтарда аморфты фаза үлесінің басым екенін көрсетеді, олардың алу режимдері толық нанокристализацияға келмегендігін көрсетеді.
Нано-SiC қаттылығы мен серпімділік модулінің көрсеткіштерінің өлшемдік эффектісінің рөлі табл. 6-да көрсетілген. Басқа да наноматериалдар сияқты кристалиттердің өлшемінің кішіреюі Н ұлғаюына алып келеді, кристаларалық шекараның прогрессивті әсерінен, яғни дислокация мен сызаттың барьерлерінің тарауы үшін. Дәрежесі 30-50 нм өлшемдері кристалиттей әртүрлі материалдардағы Е-нің ұлғаюы кезінде кристаларалық шекараның үлесінің ұлғайғанда серпімділік сипаты нашарлайды.
9-сурет. Төсеніш температурасының SiC қабыршақтарының құрамындағы аргонға (a), қалдық қысқыш күшке (b), серпімділік модуліне (c) және қаттылығына (d) әсері
10-сурет. β-SiC үлгілердің жоғары температуралы деформациясының сипаты, ыстық пресстеу (1) мен ыстық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
СИНТЕЗІ, ҚҰРЫЛЫМЫ, ҚАСИЕТТЕРІ
МАЗМҰНЫ
I. Кіріспе
II. Синтез ерекшеліктері
III. Құрылымы мен қасиеттері
IV. Қорытынды
I. КІРІСПЕ
Физико-химиялық және физико-механикалық қасиеттерінің кеңдігінен, сонымен қатар, кремний карбиді негізіндегі монокристалдық және поликристалдық материалдардың кеңінен қолданысы көптен ғалымдар көңілінде жүр. 2005 жылға дейінгі басылымдағы кейбір SiC нанокристалы жайлы анықтамалар [4,5]үлгілерде көрсетілген, олар тарбалқымалы қосылыстарға арналған. Бірақ нано-SiC жайлы басылым саны, яғни нанотехнология саласындағы бүкіл ақпарат ағыны соңғы кезде ұлғаюда. SCOPUS мәліметтер базасындағы ақпараттар бойынша 2008 жылы ~100мақала SiC негізіндегі аморфты объектілер мен нанокристалдарға арналған. Алдыннан белгілі көрсеткіштері, яғни жоғары беріктілік, коррозиялық және радиоциондық тұрақтылықтылығымен, перспективті жоғары температуралы жартылайөткізгішті қасиеттерімен қатар кремний карбидінің қызықты оптикалық және биологиялық ерекшеліктері бекітілген. Бұлардың барлығы SiC негізіндегі наноматериалдардың зерттелуі мен өңделуінің соңғы тенденцияларының анализіне алып келеді. Ең басты көңіл 2006-2009 жылдардағы еңбектерге бөлінген, [4,5]басылымдарға қарағанда. Сонымен қатар, нанокристалдық объектілeрден басқа рентгеноаморфты қосылыстар да сипатталған, себебі кремний карбиді аморфизацияға негізделген.
Кесте 1. Кремний карбидінің көп таралған политиптерінің басты физико-химиялық сипаттары.
Политиптің 3C-SiC 2H-SiC 4H-SiC 6H-SiC
сипаттамасы (β-SiC) (α-SiC) (α-SiC) (α-SiC)
Құрылымдық F43m P63mc P63mc P63mc
топ
Гексогональдық, 0 100 50 33
%
Қабаттардың ABC AB ABCB ABCACB
кезектесуі
(1-cурет)
Тор периоды
а 0,43589- 0,30753- 0,3070 0,3073-
0,43596 0,3081 0,3081 0,3081
с - 0,5031 1,0053- 1,51092-
0,5048 1,008 1,512
Кесте
белгілері
а 0,4359 0,3079 0,3073 0,3080
с - 0,5053 1,053 0,1,5117
Тығыздық, 3,215 3,219 3,215 3,212
г ∙см-3
Тыйым 2,39 3,33 3,26 3,02
салынған
өңір
ені,эВ
Электронң 1000 - 850 450
300К-дегі қозғ.
см[2] ∙ В[-1] ∙ с[-1]
Кемтіктердің 40 - 120 100
300К-дегі қозғ.
см2 ∙ В-1 ∙ с -1
1-сурет. Кремний мен көміртек атомдарының жазықтықтағы позициялары (1120).7 a-3C-SiC, b-2H-SiC, c-6H-SiС
Кремний карбидінің құрылымының көптеген модификациясы бар (бір өлшемдегі полиморфтар деуге болады). Олардың жалпы саны 200. 1-ші кестеде нанообъектілермен ыңғайлы түсінігі мен салыстыруы үшін кремний карбидінің көп таралған сипаты көрсетілген, ал 1-ші суретте политип құрылымында көміртек пен кремний атомдарының позициялары көрсетілген. Кремний карбидінің политипінің құрамы алдымен алу шарттары (температура,қысым,қоршаған орта) мен қоспаның болуымен анықталады. Кубтық политип қоспаның болуымен анықталады. Кубтық политип 3C-SiC(β-SiC) гексагональды политипке қарағанда тұрақтырақ болады (~21000C-ге дейін). Ең тұрақсыз политип 2Н болып саналады. Кубтық және үш түрлі гексагональды политиптен басқа кремний карбидіне он бесқабатты политип 15R тән (құрылымдық тобы R3m, тыйым салынған өңір ені 2,99эВ). Кремний карбид политипінің электрофизикалық сипатының түрлілігі гетероқұрылымды негіздегі перспективті объекттің пайда болуына алып келеді және де SiC-нің қасиеттеріне өлшемді тәуелді эффектілердің заңдылықтарының әсері ерекше актуалдық береді.
ІІ. СИНТЕЗ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
1. Наноұнтақтар, матрицадағы нанобөлшектер, нанокеуекті құрылым, наносымдар, нанотүтіктер
Кремний карбидінің наноұнтақтары бірнеше фирмаларда өндіріледі. Мысалға, "PlasmaChem GmbH" (Германия) фирмасы бөлшектері орташа өлшемді 20 +- 7 нм және тазалығы 95% болатын SiC наноұнтағын ұсынады. (бос күйдегі кремний құрамы 0,75%, оттек 1,25%, хлор 0,25%).
Соңғы жылдарда басылымдағы SіC наноұнтақтарының синтезделуі жайлы жұмыстарда жоғары тұтқырлықты, төмен қысымда пайда болған өлшемі 4-6 нм рентгеноаморфты ұнтақтарда тэтраметилсиланның орналасу ерекшелігі зерттелген. β-SіC наноұнтағын алу кезінде кремний мен көміртектің үйлесімділігінің кинетикасы алдын ала механикалық белсенді өңделудің әсерінен болатыны анықталды. Пештегі синтез және плазмада алынған ұнтақтардың дисперстілігі салыстырылуы жүргізілді. Бұл жұмыстар [4,5]үлгіде көрсетілген карботермиялық, плазмохимиялық және лазерьлі синтезбен бұрыннан зерттелуінің жалғасы болып келеді. Қазіргі уақытта ғалымдар назары матрицадан наноөлшемді SіC бөлшектерін, сонымен қатар карбидокремнийлік наносымдар мен нанотүтікшелерін алуда. Басты технологиялық әдістер: электрохимиялық және химиялық жеміру, кремний және оның оксидінің карбидизациясы,кремнийде көміртек иондарының имплантациясы, SіO2 типтегі матрицада кремний мен көміртек иондарының бірігуі қолданылады. Наноөлшемді кремнийді алу әдістері монография [13]-те көрсетілген (наноэлектроникаға арналған материал), ал наноөлшемді SіC үлгі [14]-те көрсетілген (2005-ші жылды қосқандағы бүкіл жұмыс нәтижесі).
Нанокеуек Si және SiC үшін фотолюменисценция (ФЛ) күшеюі қадағаланады. Кремний карбидінің төсеніштеріне арналған төмен температуралы ФЛ спектріеің кеуекті қабат SіC мен өлшемі 10нм болатын SіC нанобөлшектері 2-суретте көрсетілген. Соңғы екі объект үшін ФЛ ұлғаюы анық көрсетілген, ал дәлірек изоляцияланған нанобөлшектер үшін. Егер 6H-SіC шығу үлгісіне 1,7-2,6 эВ энергия облысында әлсіз сәулелену сипатталса, яғни кеуекті үлгілер жеміруден кейін және изоляцияланған нанобөлшектердің интенсивті энергия диапозоны кең 1,6-3,5 эВ аралығындағы люменисценция қадағаланады. Ол кванттық-өлшемді эффектпен байланысады.
2-сурет. ФЛ спектрінің стандартты төсеніші 6H-SiC (1), наноқуысты SiC қабаты анодталған төсеніш арқылы алынған (2), нанокеуекті қабаттың интенсивті үгітілуі арқылы алынған нанобөлшек SiC (3).
ФЛ-ны сызығы 5,08 эВ болатын аргонды лазерьдің қозуымен өлшеген. Суретте 6H-SiC прототипіне арналған тыйым салынған өңір ені және ФЛ шыңдарының энергиясы түсіндірілген.
3-сурет. SіC нанокристалының этил спиртіндегі (a) жарықпольді электрлік-микроскопиялық кескіні және олардың өлшем бойынша таралуы (b)
Сонымен қатар, ФЛ ұлғаюы үшін қосылған үлесін нанокеуек бетіне ақау құрылымы енгізеді, олар жеміру кезінде пайда болады.
Электрохимиялық анодты жеміру HF-EtOH (1:1) ерітіндісінде ток тығыздығы 210 мА∙ см-2 болғанда 25 минут ішінде пайда болады; кеуекті қабаттың (қалыңдығы ~ 100мкм ) төсеніштен бөлу үшін ток аз уақытқа 1А ∙ см-2 ұлғаяды. Сонымен қатар, кәдімгі 3C-SiC ұнтақтарының дезинтеграциясының 1000С-да 1 сағатта HNO3-HF(1:3) ерітіндісінде химиялық жеміру жолымен ортафигураланады, жуылады және кептіріледі. SiC нанобөлшегінің электро-микроскоптық кескіні, гистограмма және оның өлшем бойынша орналасуы, бір бөлшектің микрофотографиясы 3-суретте көрсетілген. Алынған бөлшектер дөңгелек формада және өлшемдері бойынша бірдей болады (орташа өлшемі 3,75нм).
Кеуекті кремний карбидінің жасау технологиясында SiC-ның синтез процесі және кеуекті қаңқа қалыптасуы әдетте біріктіріледі, ол температура төмендеуі мен жұқакеуекті құрылым пайда болуына алып келеді. Сол себепті кремний ұнтағының ерітіндісінің фуллеренмен немесе натрий буындағы тұнбамен қызуы ~7000 С-та қуыстылығы ~70% , қуыс диаметрі 2-10 нм болатын нанометрлі өлшемді кристалит β- SiC синтездейді. Наноөлшемді ұнтақ SiC-дан жасалған поликарбосилан пиролизі нанокеуекті үлгі алуға мүмкіндік береді. SiC наносымдары (диаметрі ~100нм, ұзындығы бірнеше ондаған микрометр) негізіндегі кеуекті материалдар SiO2-нің карботермиялық жолмен қалыптасуы арқылы алуға болады.
Кеуекті кремнийдің карбидизациясы электрохимиялық жеміру арқылы алынуын зерттеу нәтижесінде 1200-13000C температурада өлшемдері 5-7 нм 3C-SіC нанокристалдары пайда болады. Бұл процесс механизімінің ерекшелігінде гетероқұрылым пайда болады, құрамына кремний нанокристалы мен нанаоөлшемді аморфты бөлшек SiC кіреді.
Тағы жұмыстарда SіC нанобөлшектерінің имплантациондық синтез ерекшелігі зерттелген. Ең алғаш өткізілген зерттеулерде кремний төсенішіндегі көміртек ионының имплантациясы термиялық күйдіру мен электрохимиялық жеміру арқылы өлшемі ~2-5 нм болатын β - SіC нанокристалының пайда болуына және 445 нм облысындағы ФЛ спектрінде жаңа шың тууына алып келеді (2,79эВ, 2-сурет), төсенішке қарағанда ФЛ шыңының интенсивтілігі 2,7 есе жоғары, ол аналогиялық жолмен өңделген, бірақ көміртек имплантантысыз. Сәулелену дозасы синтезделіп жатқан SіC нанокристалының оптикалық және күйдірудің құрылымға қатысы мен температурасы зерттелген, оларды кремний немесе көміртек иондарының жеке имплантанты, сонымен қатар осы екі ионмен біріккен имплантацияны SіО2 қабыршақтарының төсеніші ретінде қолдануға болады. Соңғы жағдайдағы берілген ЭПР әдісі, рентгенді фотоэлектронды спектроскопиясы, ФЛ спектроскопиясы, жоғары рұқсат етілген жарықталған электрондық микроскопия және т.б. да имплантациядан кейін пайда болу бекітілген және де бірнеше кристалдық және аморфты кремний наноқосқыштарының, өлшемі ~5нм кремний мен көміртек карбидінің қосымша күйдіру, олардың пайда болу механизмі қиын және соңына дейін түсініксіз.
Кесте 2. SіC наносымдарының сипаты.
Синтез Диаметр, Ұзындық, Қиылысу Фаза ФЛ Нұсқау
ұзақ.сағ, нм мкм форма. құр. Болуы
4-9 ~200 10-20 гексоді β-SіC Жоқ 25
2 50-200 бірнеше Ізі Шыңдар 26
ондаған α- SіC, 289,
C,O; 391нм
Қабығы-
SіО2
1 60-100 бірнеше Шеңбер β-SіC Жоқ 27
бірлік Қабығы-
SіО2
Имплантанттық синтездің кремний планарлы технологиясымен сәйкес келетіндігімен ерекшеленеді және кеңзоналы матрица SіO2-де тізбектелген SіC нанобөлшектерінің жоғары химиялық және механикалық тұрақтылығымен жорамалданады.
Кремний ионының көміртек нанотүтікшелеріндегі имплантанты жұмыста [24] зерттелді . Имплантталған түтікшелердің құрылымы мен құрамын мына әдістер ЖРЕЖЭМ, РФС, ЭДС арқылы рентгеноаморфты кремний карбидінің пайда болуы анықталды және де кристализация үшін қосымша күйдіру қажет екені көрсетілді. Бірнеше кремнийкарбидті наносымдар мен нанотүтіктерді кремний буының көміртекпен арласу нәтижесіндегі тура синтездеу әдісімен алуға арналған зерттеулер белгілі.SiC синтезі орындалатын реакциялар мыналар:
1. 2C (қ) + O2 = 2CO,
2. 2Si (г) + O2 = 2SiO (г),
3. SiO (г) + 2C (қ) = SiC (қ) + CO,
4. SiO (г) + CO = SiC (қ) + O2,
5. 3SiO (г) + 3C (қ) = 2SiC (қ) + SiO (қ) + CO2,
6. SiO (г) + 3CO = SiC (қ) + 2CO2,
7. CO2 + C (қ) = 2CO,
8. 3SiO (г) + CO = SiC (қ) + 2SiO2(қ),
9. 4CO + 6Si (қ) = 4SiC (қ) + 2SiO2 (қ).
Осы реакциялардың кейбіреуі CO, SiO және SiO2 өңделуіне көмектеседі. Реакциялық схема болуы температура мен қанығу дәрежесіне тәуелді болады, бірақ бұл реакцияладың кезеңділігі мен механизмі бекітілгені зерттелмеді.
Айта кетсек, SіC наносымдарын 16000C аргон атмосферасында буландыру арқылы жасауға болады, әртүрлі шығу компоненттерін қолдана отырып: графитті тигельдегі кремний және графитті төсеніш ((1)-(4) реакциялар); кремний мен графит ұнтақтарының қоспасы, кремний монооксиді мен тұнба ұнтақтарының қоспасы, ол плазмалық өңдеу арқылы белсендірілген ((5)-(8) реакциялар). Жоғары масштабты синтезге арналған бұл зерттеулердің нәтижесін кесте 2-мен салыстыруға болады. Бүкіл технологиялық процестерді катализатор қатысынсыз өткізеді т.б., өсу механизмнің схемасы мынау бола алады бу -- қатты дене; кристалл өсуінің бағыты 111. SіC гексагональды және шеңбер қиылысқан наносымдарының жалпы бейнесі 4-суретте көрсетілген. Кремний жерлік қабатының бар екені білініп тұр ( 4-сурет b, c); рентгенфазалық сараптау бойынша кремний оксиді рентгеноаморфты күйге тән.
Шығу компоненттерінің табиғаты синтез процесіне әсер ететіні белгілі, бірақ керекті таңдау жасау қиындау, өйткені соңғы өнімнің құрамы мен қасиеттері жайлы мәлімет шектеулі болады.
Никельді катализатор қолдана отырып 3C-SіC құрылымды наносымның температурасын 1050-11000С-ке дейін төмендетуге болады, СО-ны SiO2Si фазасының бөлу шекарасымен әректтестіре отырып
((9)реакция).
β-SiC нанотүтіктерін әртүрлі әдістермен синтездеуге болады, мысалы, 12000C-та 100 сағатта SiО буының көміртек нанотүтігімен әрекеттесуі немесе 10000C-та 1 сағатта катализатор қатысында метилүшхлорсиланның сутекпен әрекеттесуінің қайта қалпына келуі. Нанотүтікшелердің беттік диаметрі 20-80 нм, ал ішкі диаметр 15-тен 35 нм интервалы аралығында болады. Me3SiCl мен сутектің β-SiC алудағы қайта қалпына келтіретін оптимальді температурасы ~12000C
4-сурет. ЖРЕЖЭМ бойынша берілген SіC нанотүтігі. a, b, c-жұмыс берілгендері
2. ҚАБЫҚШАЛАР МЕН ЖИЫНТЫҚТАР
Наноөлшемді SiC қабықшаларын алу үшін газфазалық суыту (белгілі физикалық (PVD) және химиялық нұсқалар (CVD)): көміртек пен кремний нысаналарының қатысындағы реактивті магнетронды синтез, карбидкремний нысанасының қатысындағы реактивті емес магнетронды синтез, гибридті лазерлі-магнетронды синтез, пульстелген лазерлі синтез, электр-сәулелік булану, плазма қатысындағы CVD және т.б. Сонымен қатар, сублимация мен молекулярлы-сәулелік эпитаксия әдістері қолданылады. Допирленген азоттағы SiC қабыршақ алу үшін газ пайда болған ортаға (SiH4+C2H2 қоспасы) аммиак қосады, β-SiC типтегі композитті қабыршақты синтездеу үшін газ пайда болатын ортада алмазды пісіреді (H2+CH4+SiMe4 қоспасы).
Магнетрондық синтез бен химиялық газфазалық тұнудың кейбір параметрлері 3-кестеде көрсетілген.Осы мәліметтерді қолдана отырып, SiC қабықшасының көп жағдайда балғынтұндырушысы рентгеноаморфты болады және де оларды кристалдық күйге ауыстыру үшін төсеніш температурасын ұлғайтады, не қосымша күйдіреді. Әдетте қабықшаның құрылымдық күйі РФА әдісімен анықталады, ПЭМ, ИК-спектрінің пайда болуы анализімен және комбинациялық шашырау спектрлері, сонымен қатар РФС. Қабықша құрамын РФС, ЭДС,резерфорд шашырауының кері спектроскопиясы, энергиясын "жоғалтқан" электрон спектроскопиясы әдістерімен зерттелген.
SiC қабырқшаларының КР, РФА және ИС спектрлерінің температуралық эволюциясы аргон мен сутекті-аргон плазмасындағы реактивті магнетронды синтез,газдық ерітіндісі силан, метан және сутектегі молибденді сымды CVD әдістерімен алынған мысалдар 5-суретте көрсетілген.
Жұмыста бұл спектрлердің ерекшеліктері қабырқшаға, наносымдарға, наноинеге және т.б. SiC нанообъект қолданылуы дәлірек сипатталған, олар пульстелген лазерленген сәулелену әдісімен кремний төсенішінде алынған. Көбінесе, β - SiC рентгенограммаларының жарық көрсетілген шыңда кішкене рефлекстер бар екені көрсетілген, олар қаптау ақауларымен байланысқан.
SiC политиптерінің кристализациясының температуралық шарттары әртүрлі және көптеген эксперименттер мен кинетикалық параметрлерге тәуелді. Сонымен қатар, кристалит өлшемдерінің әртүрлі температуралық тәуелділіктері сипатталады, мысалы, кремний мен көміртек иондарының біріккен тұнбасының температура көбейген жағдайдағы өлшемінің монотонды өзгеруі.
SiC-ның кремнийге қаттыфазалық эпитаксия әдісі қолданылады, ол кремний монокристалының көміртек оксидімен өңделуі болып келеді. Бұндай әрекеттесу нәтижесінде кремний қабаттарында газтәріздес SiО-ның пайда болуы мен жоғалуы арқасында вакансия мен кеуек қалыптасып, серпімді күш релаксациясына сай келеді, олар кремний мен кремний карбидінің сәйкес келмейтіндігінен шығады. Қалыңдығы 20-100 нм SiС кремний қабықшасының эпитаксиалды өсуіне алып келеді. Осыған сай, ұрыққалыптасудың термодинамикалық теориясы дамыған және төсеніштегі вакансия мен кеуек арқасында күш релаксациясының моделі ұсынылған. Экспериментальді жүзінде қабыршақтар 4Н немесе 3С политиптер негізінде қалыптасады және де олардың қоспалары да. 4Н және 3С политиптерінің ФЛ спектрлері 6-суретте көрсетілген; шыңдар толқын ұзындықтарына ~380 және ~540 нм сай келеді. Кубтық политиптің ФЛ спектрі көк түстің сәулеленуіне жақын.
8500C температурада Li-Si ерітіндісінде 4H-SiC төсенішінде 2H-SiC қабыршағының сұйықфазалы эпитаксиясы [43]жұмыста көрсетілген.
Алу әдісі Күйдіру Фаза Кристалит Анықт. Нұсқау
темп. құрамы өлшемі әдіс .
C және Si 1100 β-SiC 7,3+_0,4 РСА 32
нысана 3-10 ЖРЕЖЭМ
қолддағы
магнетр.
реактивті
әдіс(Si
төсеніш).
Магнетр. 950 80% β-SiC 8-10 РСА 33
реактивті 1140 85% (α+β)- 17 ФЭС
әдіс(ион -SiC
энер~90,
төсенрSi,
Al2O3,Mо,
SiO2,тұну
темп.
700-1050OC).
H2+Ar еріт. - 3C-SiC+ 4-5 ЖРЕЖЭМ 35
200-6000С 6H-SiC
магнетр.
реак. әдіс
төсеніш Si.
CH4+SiH4+Ar 1300 2H-SiC+ 15 ЖРЕЖЭМ 36
ерітінддегі 4H-SiC 5 РСА
Si,SiO2 төсен.
3500C-тағы
плазмағы
активн
тұну.
Молибден - 3C-SiC 6-12 РСА 37
сымдағы
SiH4+ CH4+Н2
ерітіндгі
100-4300-ғы
тұну
6-сурет. 4H-SiC(a) және 3C-SiC(b) политиптерінің 77K-дегі ФЛ спектрлері.
Наноөлшемді SiC қабықшаның синтезін алғанға қарағанда көлемді наноматериал алу оңайырақ. Консолидация температурасындағы наноұнтақтардың рекристализациясының интенсивтілігі көлемді наноқұрылымды материал алуды қиындатады. Жоғары қысым мен жоғары температура техникасын қолдана отырып кристалит кеңдігі ~20 нм болатын SiC үлгісін алудың өзі қиын.
ІІІ. ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН ҚАСИЕТТЕРІ
1. Құрылымдық ерекшеліктері және құрамы
Әдебиеттерде көптеген көміртекті вакансияның SiC политипіне арналған стехиометриялық коэффиценті мен концентрациясы көрсетілген (табл.4). Нано- SiC политипінің құрылымдық зерттелуі аса анық емес, ол стехиометрия мен вакансиялық сипаттының өлшемді эффектісінің өшірілуіне көз қарасы.
Табл. 4. Si:C ара қатынасы және SiC әртүрлі политиптеріндегі көміртек вакансиясының орташа концентрациясы.
Политип Si:C Nc, 1020 см[-3]
3C 1.046 33.6
6H 1.022 16.3
15R 1.012 15.1
4H 1.001 7.3
7-сурет. Кремний төсенішінің аморфты қабыршақ SiC кристализациясына әсері.
T,0C: 200(a), 300(b), 400(c), 600(d). Қойғыштарда микроэлектрограммалар көрсетілген, шағылған күйдегі нанокристалиттер қоршалған.
Кубтық нано-SiC политипi үшін тор а периоды келесідей болады, нм: 0,436 (кристалиттер өлшемі 4-7 нм); 0,4353 (диаметрі 200 нм наносымдар); 0,4370 (диаметрі 60-100 нм наносымдар); 0,4361 (диаметрі 60-70нм наносымдар); 0,438 (кристалиттер өлшемі 2-5 нм). 6Н политипі үшін: a=0,309 нм, c=1,525 нм. Бұл өлшемдер табл. 1 өлшемдермен ұқсас, бірақ өлшемдік фактор мен тор периодына қатысты ерітінділерді қарастыру қиын және де α мен β политиптерінің наноқосқыштарында тор периодтарының көлемді аналогтарына қарағанда тор периодтарының кеңеюі көрсетіледі.
Аморфты және нанокристалдық SiC қабыршақтарын жандыру кезінде көміртек,аргон және сутек бөлу процесі көптеген жұмыс қатарында зерттелген. РФА, ЖЕЖЭМ, ИК-спектроскопия және т.б. әдістер көмегімен Si-Si, C-C, Si-C атомаралық қатынастарында температурасының өзгеруін қадағалау мүмкін және қабыршақ құрамы мен құрылымының өзгеруін анықтау. Электрондық-сәулелік булану жолымен тұндырылған үлгілерге ЭДС әдісімен көміртек пен кремний құрамының өзгерісі анықталды. Кремний шығынын кремний төсеніші үлесіне қосады, сонымен қатар оттек ерітіндісі де қатысады.
T, 0C 500 1000 1200
Ат. құрамындағы C, % 24,18 17,95 15,20
Ат. құрамындағы Si, % 75,65 81,12 83,51
SiC қабыршақтарының көлденең қиылысының ЖЕЖЭМ-кескіні 7-суретте көрсетілген, кремний төсенішінде әртүрлі температурада сутек-аргонды плазмада тозаңдатылған магнетронды әдісімен жүргізіледі. Температура көтерілген кезде аморфты матрицада SiC наноқосқыштарының кристализациясы пайда болады, осындай корреляцияларға рұқсат етілген және де ИК-спектрлерінің эволюциясында (5-сурет,с). Құрылымда орама мен егіз қателіктері бар екенін алынған ақпарат анализі көрсеткен. Пропан-силанды ізашар қолданып CVD технологиясымен өсірілген кремний төсеніштерінің β-SiC қабаттарының ақаулығын ПЭМ және ЖЕЖЭМ әдістерімен зерттелуі орама мен егіздің қателігінің бар екені көрсетті. Осы планарлы ақаулардың болуы SiCSi бөлімінің шекарасында кристалиттердің өсу ерекшелігімен және кремний карбидінде орама ақауларының төменгі энергиясымен байланыстырады. Наноөлшемді SiC-ның өлшемдік эффект рөлі орама ақауының энергиясы өзгерісі 49жұмыста анализделген.
Қуыстың болуы, әртүрлі политиптердің пайда болуы, орама ақауларының ары қарай сай болуы және қалыптасуы көзделіп тұр және қатты фазалық эпитаксия әдісімен синтезделген SiC қабыршақтарында да.
SiC өскен ұрығының морфологиясы атомдық-күш микроскопиясымен қадағаланған. Кремний төсенішіндегі электронды-сәулелік әдісімен көміртекті тұндырғаннан кейінгі ұрық пайда болуы 8-суретте көрсетілген.
8-сурет. АКМ-SiC ұрығындағы кескін, көміртек буында тұндырылғанда пайда болды.
Ағын 5*10[13]cм[-2]с[-1]; T=925[0]C; t=10c.
Бұл ұрықтар конустәріздес формада орташа радиусты ~70 нм және орташа биіктігі ~4нм;олардың беттік тығыздығы ~109 см-2.Молекулярлы динамика әдісімен ұрықтардың физикалық моделінің пайда болуының өңделуі және өсуі көрсетілген. Уақыттың теориялық бағалануы бойынша екіөлшемділіктен үшөлшемділікке ауысуы экспериментальді мәліметтерге сай келеді.
2. Қасиеттері
Магнетронды тұндырудың температура әсері мен жанудан кейінгі қалыңдығы 3,2-4,4 мкм SiC қабыршақтарының қасиеттері н сипаттайды,олар табл. 5 пен 9-суретте көрсетілген. Салыстыру үшін табл. 5-те SiC үлгісінің пісірілген және монокристалдық қасиеттері көрсетілген.
Таблица 5. Әртүрлі температуралық режимде алынған SiC қабыршақтарының қаттылығы мен серпімділік модулі, фазалық құрамы
Тұндырылған күйде SiC қабыршақтары рентгеноаморфты болады, олардың құрамында аргонның үлесі жоғары және көптеген қалдық қысушы күштер болады. Тұндыру температурасы көтерілгенде және қайта жану болғанда аргон құрамы азаяды, қалдық қысушы күштер де азаяды, ал олардың серпімділік модулі мен қаттылығы жоғарлайды. Қыздыру әсерінен аморфты қабыршақтар кристализацияланады, ЖЕЖЭМ мәліметтері бойынша ~3000C-тан бастап өлшемдері 1-6 нм β-SiC нанокристалиттері прогрессивті бөлінуі көрінеді. Қабыршақ қасиеттеріне араласқан кері күштің кеңдігі әсер етеді. Серпімділік модулі мен қаттылықтың ұлғаюы көптеген факторлардың әсерін көрсетеді, олардың таза күйін бөліп шығару қиын.
Қабыршақтардың серпімділік модулі мен қаттылығының көрсеткіштерін салыстырғанда, яғни ірікристалдық және монокристалдық үлгілер, аморфты нанокристалдық құрылымдағы SiC үлгілерінің серпімділік және қаттылық сипаттары кәдімгі пісірілген объекттерден төмен болады, көбінесе монокристалиттер. Бұны қабыршақтарда аморфты фаза үлесінің басым екенін көрсетеді, олардың алу режимдері толық нанокристализацияға келмегендігін көрсетеді.
Нано-SiC қаттылығы мен серпімділік модулінің көрсеткіштерінің өлшемдік эффектісінің рөлі табл. 6-да көрсетілген. Басқа да наноматериалдар сияқты кристалиттердің өлшемінің кішіреюі Н ұлғаюына алып келеді, кристаларалық шекараның прогрессивті әсерінен, яғни дислокация мен сызаттың барьерлерінің тарауы үшін. Дәрежесі 30-50 нм өлшемдері кристалиттей әртүрлі материалдардағы Е-нің ұлғаюы кезінде кристаларалық шекараның үлесінің ұлғайғанда серпімділік сипаты нашарлайды.
9-сурет. Төсеніш температурасының SiC қабыршақтарының құрамындағы аргонға (a), қалдық қысқыш күшке (b), серпімділік модуліне (c) және қаттылығына (d) әсері
10-сурет. β-SiC үлгілердің жоғары температуралы деформациясының сипаты, ыстық пресстеу (1) мен ыстық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz