Carburo de silicio: material para espejos de telescopios astronómicos

El carburo de silicio es un excelente material semiconductor con una amplia banda prohibida y una gran movilidad de electrones, así como propiedades de baja expansión térmica y dureza, características ideales para los espejos de los telescopios astronómicos.

La figura 5(a) muestra los patrones XRR normalizados Fresnel de películas SiC/Si de diferentes espesores con la normalización Fresnel aplicada. Los círculos representan los datos experimentales, mientras que las líneas representan los modelos de ajuste teórico.

Es un material cristalino

El carburo de silicio (SiC), también conocido como corindón o carborundo, es un compuesto químico duro y cristalino formado por silicio y carbono que puede encontrarse en diversas aplicaciones, como abrasivos o componentes de chalecos antibalas. Además, el SiC se utiliza en la producción de dispositivos semiconductores, así como en la producción de láseres. Se encuentra naturalmente como mineral moissanita en la naturaleza, pero más a menudo se produce en forma de polvo o cristal para su uso como abrasivo o cerámica en polvo o cristal, siendo su dureza a la radiación superior a la de los materiales convencionales que, de otro modo, serían propensos a sufrir daños.

El sputtering por magnetrón de radiofrecuencia puede utilizarse para depositar carburo de silicio amorfo en sustratos mediante la creación de plasma a alta temperatura para erosionar materiales objetivo de la composición deseada, adhiriéndose entonces las especies ionizadas a las superficies de las muestras y depositándose a lo largo de varios nanómetros, alcanzando finalmente el espesor. Esta capa tiene un índice de refracción de 3,2 a una longitud de onda de 630 nm, lo que la hace adecuada para dispositivos de cristal fotónico de alta calidad.

Las propiedades ópticas no lineales del carburo de silicio pueden medirse midiendo las franjas de interferencia en prismas cortados a partir de polímeros sintéticos de carburo de silicio dopados con nitrógeno. Se ha medido la dependencia de la polarización del índice no lineal en una amplia gama de frecuencias y temperaturas; la no linealidad de tercer orden puede controlarse alterando la concentración de hidrógeno (H:SiC) [83].

El SiC amorfo es un material adaptable que varía en estequiometría (la proporción de silicio y carbono), densidad y método de deposición, todo lo cual repercute en sus propiedades ópticas, electrónicas y mecánicas. Los métodos de deposición varían y las películas que contienen hidrógeno permiten un mayor control de sus propiedades; su bajo coeficiente de dilatación térmica y su rigidez hacen que el SiC amorfo sea ideal como material de espejos para telescopios astronómicos como los telescopios espaciales Herschel y Gaia gracias a sus propiedades de ligereza, dureza, conductividad térmica y conductividad térmica.

Es un material no cristalino

El carburo de silicio es un material no tóxico con excelentes propiedades ópticas. Presenta una amplia banda de separación, un alto índice de refracción y una no linealidad de segundo y tercer orden superior a 0,04 a longitudes de onda de 2 m. Además, el carburo de silicio puede integrarse fácilmente de forma heterogénea con otros materiales y depositarse mediante distintos procesos. Además, el carburo de silicio puede integrarse fácilmente de forma heterogénea con otros materiales y depositarse mediante distintos procesos, lo que lo convierte en un candidato perfecto para los circuitos integrados fotónicos (PIC).

El carburo de silicio amorfo puede producirse mediante el proceso Lely, en el que el polvo de SiC se sublima a altas temperaturas en especies de silicio, carbono y dicarburo de silicio (Si2C) antes de depositarse en forma de monocristales en escamas de hasta 2 cm de diámetro. El carburo de silicio cúbico también puede cultivarse mediante deposición química de vapor; aunque este método requiere una mayor inversión, a menudo produce cristales únicos de mejor calidad.

El SiC puede adaptarse para producir un semiconductor de tipo n o de tipo p mediante el dopaje con nitrógeno o fósforo, mientras que el dopaje con boro, aluminio o galio mejora la conductividad metálica. En general, un índice de refracción bajo conlleva mayores pérdidas, mientras que uno alto las disminuye.

El carburo de silicio no sólo presenta una alta transmitancia óptica, sino también una excelente conductividad térmica y emisiva, lo que lo convierte en un material excelente para su uso en láseres, dispositivos optoelectrónicos y aplicaciones de iluminación de estado sólido de alta eficiencia energética. Además, el carburo de silicio tiene un coeficiente de dilatación extremadamente bajo y es resistente a la oxidación.

El carburo de silicio también puede utilizarse en el grabado con carborundo, una forma de grabado que utiliza tinta y granalla de carborundo para crear imágenes sobre papel. La arenilla de carborundo se aplica como revestimiento sobre una placa de aluminio antes de entintarla y presionarla contra el papel para producir imágenes impresas con marcas pintadas entretejidas en sus fibras.

Recientes investigaciones de científicos han examinado el potencial del carburo de silicio para los resonadores de microdisco de alto coeficiente cualitativo. Estos dispositivos pueden mejorar el rendimiento de los láseres y los diodos emisores de luz e incluso posibilitar la comunicación óptica cuántica limitada. La investigación se centró en establecer las funciones ópticas fundamentales del carburo de silicio cúbico (3C) y con estructura de wurtzita (2W-SiC), determinadas mediante el análisis de la energía SE dentro del intervalo 0,55-6,30eV; a continuación, se aplica un modelo óptico a los espectros de reflectancia para determinar el espesor de la película, así como las funciones dieléctricas real e imaginaria dentro de las funciones dieléctricas.

Es un material dopado

El carburo de silicio (SiC) se utiliza desde hace tiempo como combustible esencial en los sistemas nucleares debido a su estabilidad térmica. Los combustibles compuestos de SiC utilizados en algunos reactores nucleares son capaces de soportar tanto las altas temperaturas dentro de sus núcleos como la irradiación de neutrones, lo que los hace más seguros que los combustibles tradicionales a base de uranio. Desgraciadamente, sin embargo, los cambios estructurales del SiC inducidos por la radiación pueden alterar significativamente sus propiedades termofísicas; dichos cambios pueden modelizarse utilizando la Simulación de Seguimiento de Rayos Monte Carlo con el fin de extraer las propiedades radiativas homogeneizadas, así como los índices ópticos de sus fases sólidas del SiC.

El índice de refracción complejo del carburo de silicio depende tanto de la temperatura como de la presión; para calibrar con precisión esta relación, podemos medir los espectros de reflectividad en distintas condiciones de exposición; a continuación, utilizando estos datos, podemos calcular sus componentes n real y k imaginaria del índice de refracción complejo.

El SiC es un material ideal para aplicaciones fotónicas debido a sus excepcionales propiedades ópticas, que ofrecen óptimas interacciones luz-SiC, así como bajos poderes dispersivos en longitudes de onda visibles y coeficientes de reflexión en longitudes de onda infrarrojas. Como tal, el SiC presenta un potencial apasionante en diversas aplicaciones.

El uso óptimo del carburo de silicio en estructuras fotónicas requiere que tenga una pérdida dieléctrica baja; esto puede lograrse añadiendo politímeros, ya que disminuyen el índice complejo de refracción y el coeficiente de dispersión, respectivamente, además de permitir una mayor absorción de luz por el SiC debido a su menor índice complejo.

El carburo de silicio amorfo tiene múltiples usos potenciales, desde el almacenamiento de energía hasta aplicaciones fotónicas. El A-SiC destaca por su fuerte no linealidad de tercer orden, 10 veces superior a la del SiC cristalino. Se cree que este efecto está causado por estados intermedios dentro de su banda prohibida que facilitan la absorción de dos y tres fotones.

En este trabajo, investigamos los efectos del dopado con nitrógeno en el crecimiento de boules de 4H-SiC mediante crecimiento PVT. Nuestros estudios revelaron que el dopaje con nitrógeno incrementó la nucleación de dislocaciones enhebradoras en una fase más temprana. Además, se desarrollaron expresiones sin modelo para determinar la birrefringencia lineal y el dicroísmo de muestras uniaxiales utilizando medidas de elipsometría de transmisión a pequeños ángulos de incidencia.

Es un material amorfo

El carburo de silicio (SiC) es un material muy atractivo para aplicaciones fotónicas integradas monolíticamente. Gracias a su alto índice de refracción, amplia banda prohibida, bajo coeficiente de expansión térmica y excelentes propiedades de movilidad de electrones, el carburo de silicio es un material excelente para guías de ondas ópticas, láseres y amplificadores ópticos, así como compatible con la nanofabricación de semiconductores de óxido metálico complementarios para soluciones fotónicas rentables.

El SiC es un sólido cristalino entre marrón y negro que cristaliza en el sistema hexagonal tetragonal. Puede doparse de tipo n con nitrógeno y fósforo y doparse de tipo p con boro, aluminio o galio para conseguir diferentes conductividades eléctricas cuando está muy dopado; su color procede de las impurezas de hierro; además, este material presenta una excelente conductividad eléctrica cuando está muy dopado y también se utiliza como excelente conductor eléctrico incluso después de estar muy dopado; su color proviene de impurezas de hierro, ya que su color proporciona una buena conductividad incluso cuando está fuertemente dopado; además de utilizarse en dispositivos semiconductores, se emplea como herramienta abrasiva en la estampación con carborundo, que utiliza formas finamente molidas de SiC conocidas como carborundo como principal herramienta de estampación ¡la arenilla utilizada en la estampación con carborundo también se emplea aquí!

El SiC amorfo se produce mediante deposición química de vapor. Una vez producido, puede doparse con diversos elementos para conseguir propiedades ópticas específicas, lo que resulta especialmente crucial cuando se utiliza para aplicaciones de cavidades ópticas; una proporción ideal de C/Si creará una capa amortiguadora eficaz contra las reacciones en fase gaseosa durante los procesos de deposición.

En el SiC amorfo, el hueco óptico suele oscilar entre 1,5 y 3,5 eV, dependiendo de la presencia de grafito. Esto se debe a las interacciones entre el silicio y el carbono que producen cúmulos de dispersión; para reducirlo aún más, se puede disminuir la potencia aplicada al objetivo y disminuir la concentración de cúmulos, al tiempo que se aumenta la transmitancia, lo que reduce las pérdidas.

Los investigadores están desarrollando técnicas para controlar el crecimiento y la química del SiC amorfo con el fin de crear materiales más estables y con menos defectos, al tiempo que exploran formas de controlar sus condiciones de síntesis y aumentar sus propiedades mecánicas para ampliar sus aplicaciones ópticas. Gracias a ello, pronto podrán fabricarse con este material espejos más grandes y complejos para telescopios astronómicos como el telescopio espacial Herschel, algo que los científicos esperan que permita mejorar la calidad durante generaciones.