Conductividad térmica del carburo de silicio

El carburo de silicio se utiliza como excelente material abrasivo desde hace más de 100 años, con propiedades de resistencia a la corrosión y tolerancia a altas temperaturas.

El SiC monocristalino puro tiene una conductividad térmica media a temperatura ambiente de 490 W m-1 K-1; sin embargo, el 3C-SiC policristalino presenta conductividades térmicas significativamente inferiores debido a los aditivos de sinterización y a los defectos de red que reducen su conductividad térmica en un orden de magnitud.

Deposición química en fase vapor (CVD)

El depósito químico en fase vapor (CVD) es uno de los procesos clave en la creación de circuitos de silicio integrados a muy gran escala (VLSI) y dispositivos microelectrónicos en general. El CVD consiste en hacer pasar vapores reactivos a través de gases inertes diluidos hacia un sustrato con el fin de inducir reacciones químicas que depositen películas de recubrimiento sobre su superficie, creando materiales que van desde aislantes y dieléctricos, metales elementales, semiconductores y carburos, entre muchos otros.

Los estudios han determinado que el carburo de silicio CVD presenta una conductividad térmica significativamente mayor que el Si policristalino. Esta diferencia puede atribuirse a sus granos más pequeños, que reducen la dispersión de fonones por los límites de grano, lo que hace que la conductividad térmica del carburo de silicio CVD sea mayor en general.

El carburo de silicio CVD también puede contener átomos más pequeños que el Si policristalino, lo que puede reducir su volumen total y, por tanto, la dispersión de los fonones de longitud de onda larga. Además, debido a este menor volumen, los átomos esféricos no se empaquetan tan apretados, lo que permite una mayor área de sección transversal para los fonones, con el consiguiente aumento de la conductividad térmica.

La conductividad térmica del carburo de silicio CVD depende del proceso utilizado. El CVD a baja presión (LPCVD), empleado habitualmente para aplicaciones de alta pureza, emplea una mezcla de precursores de Si y C en una atmósfera de gas inerte para producir 3C-SiC homoepitaxial con buenas propiedades eléctricas y mecánicas y resistencia a la temperatura.

HDPECVD (High Density Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) es otro tipo de CVD que utiliza una fuente de energía externa para dividir los reactivos en fragmentos, lo que conduce a densidades de plasma más altas y reacciones más rápidas. Esta técnica también puede utilizarse para producir diversos tipos de 3C-SiC y 6H-SiC que ofrecen propiedades distintas adecuadas para diversas aplicaciones.

El CVD se distingue de otros métodos de deposición por su capacidad para revestir componentes de formas y superficies complejas con una consistencia uniforme, lo que lo hace ideal para aplicaciones relacionadas con sistemas de flujo de fluidos o dispositivos electrónicos avanzados que exigen una aplicación uniforme.

Sinterizado

Mediante el proceso de sinterización, casi cualquier material metálico o cerámico puede transformarse en un valioso producto acabado. La sinterización consiste en convertir el material en polvo a granel en un sólido denso mediante la transformación térmica y la difusión en estado sólido a lo largo de diversas interfaces, así como a través de cualquier hueco o defecto extendido presente en su microestructura antes de la sinterización; su microestructura también debe controlarse antes de este paso para obtener resultados uniformes en su producto acabado.

Para crear piezas verdes, primero hay que comprimir el polvo en la forma deseada antes de calentarlo en determinadas condiciones para densificar y fusionar sus partículas. Sin embargo, antes de este paso, pueden añadirse agentes aglutinantes como cera o polímero antes de la sinterización para ayudar a crear piezas verdes adecuadas para diversos usos.

La sinterización consiste en calentar el material a altas temperaturas para conseguir propiedades específicas, normalmente utilizando un horno con temperaturas ajustables que pueden sintonizarse para lograr el resultado deseado. El sinterizado crea materiales duros y resistentes al desgaste con una conductividad térmica muy alta, así como formas o piezas complejas que de otro modo serían difíciles de fabricar por otros medios.

Los procesos de sinterización pueden realizarse sin presión externa, pero suelen producir materiales menos densos con una mayor distribución del tamaño de las partículas. Una forma de superar este problema es mediante la sinterización en fase líquida, que emplea la capilaridad para introducir líquido en los poros abiertos del material con el fin de reordenar los granos y mejorar la densidad de empaquetamiento.

La sinterización en fase líquida se emplea habitualmente en la fabricación de cerámica; sin embargo, también puede utilizarse en la producción de materiales o compuestos cerámicos de matriz metálica. Existen numerosas técnicas de sinterización en fase líquida para lograr el aplanamiento por contacto; un ejemplo es el uso de aditivos que se funden y fluyen en los poros abiertos para producir lo que se conoce como aplanamiento por contacto.

Los procesos de sinterización del carburo de silicio son especialmente adecuados para este método de sinterización debido a sus concentraciones relativamente bajas de impurezas de oxígeno y nitrógeno (que caen muy por debajo de los límites de detección para las mediciones SIMS en ambas caras de una muestra). Esta afirmación está respaldada por pruebas como los patrones EBSD observados en la imagen de termorreflexión en el dominio del tiempo (TDTR) de la Figura 1e y la difracción de electrones de área seleccionada (SAED). Las mediciones Raman y el análisis STEM confirmaron la orientación cristalográfica de la membrana de 3C-SiC, lo que nos permitió calcular un valor de conductividad térmica intrínseca mediante atomismo de simulación utilizando funciones potenciales empíricas ampliamente utilizadas, como PT84, HG94 y LB10, todas ellas consideradas potenciales de tipo SW. Esto nos permitió calcular un valor de conductividad térmica intrínseca para esta muestra de SiC utilizando funciones de potencial empíricas PT84, HG94 y LB10. Esto nos permitió calcular un valor de conductividad térmica intrínseca que se puede encontrar utilizando simulaciones atomísticas que nos permitieron calcular un valor de conductividad térmica intrínseca utilizando simulaciones atomísticas que nos permitieron calcular un valor de conductividad térmica intrínseca a partir de estas simulaciones que nos permitieron calcular un valor de conductividad térmica intrínseca utilizando funciones potenciales empíricas como estas que luego podrían calcularse con potenciales tipo SW PT84/HG94/LB10 que proporcionaron una estimación de su conductividad térmica.

Reacción Vinculada

El carburo de silicio, o SiC, es un material cerámico extremadamente duradero con una excepcional resistencia al calor y capacidad de retención del calor. Este material mantiene su resistencia y dureza incluso a altas temperaturas, resistiendo la erosión de los productos químicos y los daños por corrosión debidos a impactos o fricción. Debido a estas propiedades, el SiC es una opción excelente para aplicaciones en las que los impactos, la abrasión o los daños por fricción son motivo de preocupación.

El SiC también es ligero en comparación con los metales, lo que lo convierte en un material atractivo para aplicaciones en las que el peso desempeña un papel fundamental. El SiC aglomerado por reacción (RB) puede fabricarse infiltrando carbono poroso o preformas de grafito con silicio líquido; este proceso produce componentes de forma casi neta con excelentes tolerancias dimensionales.

El SiC RB es menos costoso que los métodos CVD o sinterizado; sin embargo, su estructura de grano grueso y su menor densidad de sinterización restringen su resistencia y el rango de temperaturas de uso. La conformación o el mecanizado requieren costosas herramientas de diamante, por lo que esta opción solo es adecuada para aplicaciones en las que una dureza reducida es aceptable, mientras que la estabilidad térmica o el aumento de la densidad verde son fundamentales.

El SiC RB puede encontrarse en aplicaciones industriales como equipos de plantas químicas, mobiliario de hornos y cierres mecánicos. Además, se están utilizando componentes de este material en turbinas de gas y reactores nucleares, así como en equipos de fabricación de semiconductores, debido a su fiabilidad y resistencia a la temperatura.

Para determinar la conductividad térmica del SiC RB, utilizamos cálculos de aproximación armónica (cálculos de fonones), cálculos de aproximación cuasi armónica y modelos BTE. Además, se llevan a cabo análisis de ondas de cizallamiento y simulaciones de dinámica molecular mediante algoritmos Gillespie-Shields, y sus resultados se comparan con los datos experimentales y los cálculos ab initio con fines comparativos.

El carburo de silicio aglomerado por reacción (RB SiC) es un material extremadamente duro con una extraordinaria relación resistencia-peso, excelente resistencia al desgaste, bajo coeficiente de expansión térmica y altos valores de aislamiento eléctrico, lo que lo hace útil en bombas, cierres mecánicos, estranguladores de control de flujo y componentes de desgaste de mayor tamaño para la industria minera y otros campos. Como uno de los materiales cerámicos más duros, ofrece una excelente resistencia al impacto, la erosión, la abrasión y las altas temperaturas para componentes de desgaste de uso diario en bombas, cierres mecánicos y estranguladores de control de flujo, entre otros muchos usos. El RB SiC se sitúa entre sus homólogos cerámicos, ya que sigue siendo duradero también frente a impactos.

Nanocables

Los nanocables, como su nombre indica, son filamentos extremadamente finos producidos mediante diversos métodos, entre ellos la síntesis en fase de disolución con disolvente y reductor para crear grandes cantidades de nanocables que luego pueden utilizarse en semiconductores o sensores con diversos fines.

La conductividad térmica de los nanocables de carburo de silicio depende en gran medida de su microestructura. Las microestructuras con mayor estequiometría tienden a tener mayor conductividad térmica que las de menor estequiometría, según los resultados de la investigación; en uno de esos estudios, la estequiometría de los nanocables de carburo de silicio (SiC) de tipo p aumentaba al disminuir el diámetro, mientras que en el caso de los nanocables de SiC de tipo n ocurría lo contrario. Además, las estructuras de la red cristalina también influyen enormemente en su conductividad térmica.

Un método para medir la conductividad térmica de los nanocables de carburo de silicio consiste en medir su densidad de corriente eléctrica. Para ello se pueden utilizar diversas herramientas, como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución o la espectroscopia de masas de iones secundarios; además, estas técnicas también revelarán información sobre su composición atómica y sus propiedades.

Otro método para medir la conductividad térmica de los nanocables de carburo de silicio consiste en sus propiedades mecánicas. El módulo de Young puede calcularse en función de su tamaño; puedes encontrar este dato a través de su curva de tensión-deformación.

La difracción de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución son algunas de las numerosas técnicas disponibles para medir la conductividad térmica de los nanocables de carburo de silicio, mientras que las simulaciones a nivel atómico también se han empleado como métodos predictivos de esta propiedad.

Los investigadores también han experimentado con nanocables para crear tecnologías innovadoras. Por ejemplo, modificaron nanocables de carburo de silicio con aptámeros de ácido nucleico que reconocen el factor de crecimiento epidérmico vascular. Esto permite a los nanocables actuar como biosensores y controlar el crecimiento tumoral en pacientes con cáncer.

Los nanocables también pueden utilizarse en superredes, que son estructuras con capas alternas de distintos materiales. La superposición de capas permite almacenar información gracias a las propiedades electrónicas de los nanocables; estas propiedades pueden utilizarse después para construir dispositivos fotónicos complejos, como fotodiodos de pozo cuántico. Por último, las superredes también pueden grabarse para formar patrones que sirvan de plantillas para su posterior procesamiento.