Índice de refracción del carburo de silicio

El carburo de silicio es un semiconductor superior de banda prohibida ancha con propiedades físicas y químicas excepcionales, como cristales de color amarillo a azul verdoso a negro azulado con iridiscencia.

Se han realizado cuidadosamente mediciones del índice de refracción en SiC cúbico crecido epitaxialmente utilizando elipsometría espectroscópica de ángulo variable, mostrando que tanto los índices de refracción ordinarios como los extraordinarios aumentan con la temperatura.

El índice de refracción

El índice de refracción es un número adimensional que describe cómo pasa la luz a través de él. Por ejemplo, el vidrio tiene un índice de refracción de 1,5, mientras que el cristal de plomo tiene uno de 1,77 y el diamante de 2,42. En general, cuanto mayor sea el índice de refracción de un material, más brillante será su aspecto.

El carburo de silicio posee un índice de refracción excepcional que rivaliza con el zafiro y el rubí, y es dos veces superior al del cuarzo. Esto lo convierte en un material idóneo para fabricar componentes ópticos de alto rendimiento, como las guías de ondas. Sin embargo, su índice de refracción puede variar en función de la temperatura a la que se deposite o del material del sustrato sobre el que se deposite. Además, las impurezas o defectos de su película pueden influir en sus propiedades.

Las películas de SiC de alta calidad pueden crecer sobre diversos sustratos, como el silicio (Si), el carburo de wolframio (WC) y el dióxido de titanio (TiO2). Sin embargo, es fundamental comprender cómo afecta cada sustrato a las propiedades ópticas de las películas de SiC producidas sobre ellos.

Los parámetros ópticos de las películas finas de SiC dependen de su espesor; para medir con precisión estos parámetros ópticos, las mediciones de un análisis de elipsometría deben ajustarse a funciones dieléctricas simples utilizando fórmulas para ajustarlas a los datos de medición de funciones dieléctricas simples. Cuando se trata de SiC, las mediciones del índice de refracción y la birrefringencia en múltiples longitudes de onda proporcionan resultados más precisos.

La información recopilada puede utilizarse para construir un modelo de las propiedades ópticas de las estructuras de SiC sobre SiC, comparando los resultados con las observaciones de los espectros de extinción astronómicos con fines comparativos y de validación de las teorías.

El índice de refracción sintonizable de las películas de carburo de silicio es un elemento integral para desarrollar dispositivos fotónicos a escala de chip. Su valor depende de la relación entre la concentración de silicio y carbono en la película; y puede diferir en función de los polimorfos alfa o beta del carburo de silicio, o incluso en función del grosor.

Coeficientes de extinción

El carburo de silicio es un material cúbico de alta transmisión óptica y bajas dispersiones, que presenta excelentes propiedades de transmisión óptica y una excepcional capacidad de puenteo, debido a su gran energía de banda prohibida. Debido a sus bajos niveles de dispersión, el carburo de silicio es un material atractivo para aplicaciones que requieren un modelado preciso de las propiedades de radiación, como los intercambiadores de calor de medios porosos. Además, su coeficiente de extinción permite realizar cálculos útiles de la conductividad térmica radiativa.

Las propiedades ópticas del carburo de silicio vienen determinadas por su estructura cristalina y sus niveles de dopaje, siendo su índice de refracción normal de 2,6584 para el plano cristalino 111 y de 3,0823 para el plano cristalino 100. Los índices varían con la longitud de onda. Los índices varían con la longitud de onda, por lo que el índice de refracción es proporcional a la frecuencia, al tiempo que contribuye al coeficiente de extinción dependiente de la frecuencia.

El carburo de silicio destaca entre los materiales para superficies ópticas por su excelente capacidad de puenteo, baja expansión térmica y propiedades de rigidez, lo que lo convierte en el material ideal para superficies ópticas como espejos de telescopios. El carburo de silicio también encuentra aplicación en diodos emisores de luz (LED) y detectores utilizados por dispositivos electrónicos.

El carburo de silicio se presenta en diversas formas, pero la variedad alfa es la más frecuente. Presenta una estructura cristalina hexagonal similar a la de la wurtzita y puede formarse a temperaturas superiores a 1.700 grados centígrados. Otro polimorfo es el beta, que presenta una estructura cristalina de zinc blenda similar a la formación del diamante a temperaturas más bajas.

Se han medido espectros de extinción en laboratorio de granos de carburo de silicio alfa, que se corresponden estrechamente con las observaciones astronómicas. Desgraciadamente, sin embargo, estas mediciones por sí solas no pueden proporcionar suficiente información para una interpretación precisa de los perfiles de características de 11,5 mm en estrellas C, ya que los modelos de transferencia radiativa requieren el conocimiento del índice complejo del material circunestelar a través del espectro electromagnético. Para resolver este problema y satisfacer el requisito de los modelos de transferencia radiativa de conocer el índice complejo del material circunestelar en todo el espectro electromagnético, estos autores presentan una función dieléctrica completa calculada a partir del análisis de Kramers-Kronig que confirma que el rasgo presente en estos espectros de extinción está relacionado con el alfa-SiC.

Propiedades ópticas

Las propiedades ópticas del carburo de silicio vienen determinadas por su estructura atómica; concretamente, por la presencia de dos defectos puntuales específicos: impurezas de aluminio en la subred de silicio AlSi e impurezas de nitrógeno en la subred de carbono NC. Estos defectos puntuales, a su vez, contribuyen a definir sus características ópticas. La baja expansión térmica, la gran dureza y la rigidez del carburo de silicio alfa lo convierten en un material atractivo para los espejos de telescopios astronómicos. Se dispone de espectros de extinción de laboratorio que reflejan con exactitud lo que puede observarse mediante observaciones en el espacio. Los espectros de laboratorio por sí solos son insuficientes para caracterizar completamente las propiedades ópticas de los materiales en todas las frecuencias electromagnéticas. En este artículo se presenta una función dieléctrica sintética completa para este material, obtenida mediante el análisis de Kramers-Kronig de los datos existentes y los espectros de extinción experimentales. Esta función sirve de entrada a los modelos de transferencia radiativa que caracterizan los entornos de polvo espacial.

Se fabricaron muestras de película delgada de SiC de diversos grosores mediante deposición química en fase vapor mejorada por plasma (PECVD). Su estructura y morfología se examinaron por diversos medios, como la reflectividad de rayos X, la difracción de rayos X en polvo, la microscopía electrónica de barrido y la microscopía de fuerza atómica; sus constantes ópticas (partes real/imaginaria de la función dieléctrica compleja y el índice de refracción) y la determinación de la constante óptica de banda prohibida se realizaron mediante elipsometría espectroscópica.

Los estudios demuestran que el índice de refracción del SiC disminuye a medida que aumenta su grosor, tal y como se había predicho. Las partes real e imaginaria de su función dieléctrica compleja, así como los coeficientes de absorción, dependen tanto de la longitud de onda de la radiación incidente como de la dirección de polarización; estos resultados confirman las predicciones de que su estructura en capas influye positivamente en las constantes ópticas que mejoran la transmitancia a través de un espectro electromagnético ampliado.

Los efectos tóxicos del carburo de silicio se derivan en gran medida de su fuerte interacción con las moléculas de oxígeno y agua, lo que da lugar a una sobreexposición de gas de cloruro de hidrógeno que puede provocar dificultades respiratorias, broncoconstricción y acumulación de líquido en los pulmones, así como calambres abdominales, náuseas y vómitos. Además, la exposición a sus vapores podría alterar el curso de la tuberculosis por inhalación, provocando una fibrosis extensa y una progresión progresiva de la enfermedad.

Materiales

El índice de refracción mide la capacidad de los materiales para desviar las ondas luminosas. Cada material tiene un índice diferente: el agua tiene un índice de refracción de 1,5; el cristal de plomo tiene uno mayor; el diamante tiene uno superior a 2,42, lo que explica su magnífico aspecto cuando se expone directamente a la luz solar. El carburo de silicio tiene un índice de refracción de 2,5, lo que lo convierte en un excelente material duro y resistente al desgaste, con grandes propiedades eléctricas que hacen posibles películas delgadas a partir de él, utilizadas en electrónica, incluidos los LED y los primeros detectores de radio, así como en electroluminiscencia, con una eficiencia de 10-2 a 5600 A (Engineering Property Data).

La elevada conductividad térmica y rigidez del carburo de silicio lo convierten en uno de los principales materiales para espejos de telescopios, como los observatorios espaciales Herschel y Gaia, donde varios grandes telescopios cuentan con espejos de carburo de silicio. Además, su bajo coeficiente de dilatación térmica lo convierte en una opción excelente para subsistemas de naves espaciales.

Contrariamente a la susceptibilidad del silicio a la oxidación del aire a altas temperaturas, el carburo de silicio es muy resistente. Además, es el más duro de todos los silicatos. Se suele encontrar como material policristalino, pero también se pueden formar monocristales mediante el proceso Lely con polvo de sílice sublimado; el carburo de silicio cúbico también se puede cultivar mediante deposición química en fase vapor, con temperaturas de crecimiento más elevadas.

El carburo de silicio ligado por reacción es impermeable al oxígeno, lo que lo convierte en una opción rentable para aplicaciones que requieren resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas.

Las fibras de carburo de silicio CVD se crean mediante la estratificación de un núcleo rico en carbono con capas de carbono y pueden reforzarse con diversos materiales, como el tungsteno. Su resistencia a temperatura ambiente es de 4GPa de media; su resistencia longitudinal y radial varía, siendo normalmente mayor la longitudinal. Sin embargo, con el tiempo, estas fibras se vuelven más débiles, probablemente debido a reacciones interfaciales entre los componentes de tungsteno del núcleo y el manto, así como al crecimiento del grano en el material del núcleo de carburo de silicio.