Silīcija karbīds - astronomisko teleskopu spoguļu materiāls

Silīcija karbīds ir izcils pusvadītāju materiāls ar plašu joslas spraugu un augstu elektronu kustīgumu, kā arī zemu termisko izplešanos un cietību - ideālas īpašības astronomijas teleskopu spoguļu materiāliem.

5. a) attēlā parādīti dažādu biezumu SiC/Si plēvju XRR modeļi ar Freneļa normalizāciju. Apļi attēlo eksperimentālos datus, bet līnijas attēlo teorētiskos atbilstības modeļus.

Tas ir kristālisks materiāls

Silīcija karbīds (SiC), saukts arī par korundu vai karborundu, ir ciets, kristālisks ķīmisks savienojums, kas sastāv no silīcija un oglekļa un ko var izmantot dažādos veidos, piemēram, kā abrazīvus vai ložu necaurlaidīgu vestu sastāvdaļas. Turklāt SiC izmanto pusvadītāju ierīču ražošanā, kā arī lāzeru ražošanā. Dabiski dabā sastopams kā moizanīta minerāls, bet biežāk tiek ražots pulvera vai kristāla formā, lai to izmantotu kā abrazīvu vai keramikas pulveri vai kristālu formā - tā radiācijas cietība ir augstāka nekā parastajiem materiāliem, kas citādi būtu pakļauti bojājumiem.

Radiofrekvences magnetrona izsmidzināšanu var izmantot amorfa silīcija karbīda nogulsnēšanai uz substrātiem, radot augstas temperatūras plazmu, lai erodētu vēlamā sastāva mērķa materiālus, un jonizētās vielas pēc tam piestiprinās pie parauga virsmas un nogulsnējas vairāku nanometru garumā, galu galā sasniedzot biezumu. Šim slānim ir refrakcijas koeficients 3,2 pie 630 nm viļņu garuma, tāpēc tas ir piemērots augstas kvalitātes fotonisko kristālu ierīcēm.

SiC nelineārās optiskās īpašības var izmērīt, izmērot interferences bārkstis uz prizmām, kas izgrieztas no sintētiskiem ar slāpekli dopētiem silīcija karbīda politipiem. Nelineārā indeksa polarizācijas atkarība ir izmērīta plašā frekvenču un temperatūru diapazonā; trešās kārtas nelinearitāti var kontrolēt, mainot ūdeņraža (H:SiC) koncentrāciju [83].

Amorfais SiC ir pielāgojams materiāls, kas atšķiras pēc stehiometrijas (silīcija un oglekļa attiecība), blīvuma un nogulsnēšanas metodes; tas viss ietekmē tā optiskās, elektroniskās un mehāniskās īpašības. Nogulsnēšanas metodes ir dažādas, un ūdeņradi saturošas plēves ļauj labāk kontrolēt tā īpašības; tā zemais termiskās izplešanās koeficients un stingrība padara amorfo SiC ideālu kā spoguļu materiālu tādiem astronomiskajiem teleskopiem kā Herschel un Gaia kosmosa teleskopi, pateicoties tā vieglumam, cietībai, siltumvadītspējai un siltumvadītspējai.

Tas ir nekristālisks materiāls

Silīcija karbīds ir netoksisks materiāls ar lieliskām optiskām īpašībām. Tam piemīt plaša joslas sprauga, augsts refrakcijas koeficients un otrās un trešās kārtas nelinearitāte, kas pārsniedz 0,04 pie 2 m viļņu garuma. Turklāt silīcija karbīdu var viegli heterogēni integrēt ar citiem materiāliem un nogulsnēt, izmantojot dažādus procesus, tādējādi padarot to par ideālu kandidātu fotoniskām integrālshēmām (PIC).

Amorfu silīcija karbīdu var ražot, izmantojot Lely procesu, kurā SiC pulveris tiek sublimēts augstas temperatūras silīcija, oglekļa un silīcija dikarbīda (Si2C) formās pirms nogulsnēšanās līdz pat 2 cm diametra pārslveida monokristālos. Kubveida silīcija karbīdu var audzēt arī, izmantojot ķīmisko tvaiku uzklāšanu; lai gan šī metode prasa lielākus ieguldījumus, ar to bieži vien iegūst labākas kvalitātes monokristālus.

SiC var pielāgot, lai iegūtu n- vai p-tipa pusvadītāju ar slāpekļa vai fosfora piedevu, savukārt bora, alumīnija vai gallija piedevas uzlabo metālisko vadītspēju. Kopumā zems refrakcijas koeficients rada lielākus zudumus, savukārt augsts koeficients tos samazina.

Silīcija karbīdam ir ne tikai augsta optiskā caurlaidība, bet arī teicama siltuma un izstarošanas vadītspēja, tāpēc tas ir lielisks materiāls izmantošanai lāzeros, optoelektroniskās ierīcēs un energoefektīvos cietvielu apgaismojuma lietojumos. Turklāt silīcija karbīdam ir ārkārtīgi zems izplešanās koeficients, vienlaikus saglabājot izturību pret oksidēšanos.

Silīcija karbīdu var izmantot arī karborunda iespiedgrafikā - iespiedgrafikas veidā, kurā attēlu radīšanai uz papīra izmanto tinti un karborunda smiltis. Karborunda smiltis uzklāj kā pārklājumu uz alumīnija plāksnes, pirms to pārklāj ar tinti un piespiež pie papīra, lai radītu drukātus attēlus ar krāsotām zīmēm, kas ieaustas papīra šķiedrā.

Nesen veiktajos zinātnieku pētījumos ir izpētīts silīcija karbīda potenciāls augstas kvalitātes mikrodisku rezonatoriem. Šādas ierīces var uzlabot lāzeru un gaismu izstarojošo diodžu veiktspēju un pat nodrošināt kvantu ierobežotu optisko komunikāciju. Pētījumos galvenā uzmanība tika pievērsta kubiskās (3C) un virtzīta struktūras silīcija karbīda (2W-SiC) fundamentālo optisko funkciju noteikšanai, kas noteiktas, izmantojot SE enerģijas analīzi 0,55-6,30eV diapazonā; pēc tam optiskais modelis tiek piemērots atstarošanas spektriem, lai noskaidrotu plēves biezumu, kā arī reālās un iedomātās dielektriskās funkcijas dielektriskajās funkcijās.

Tas ir leģēts materiāls

Silīcija karbīds (SiC) termiskās stabilitātes dēļ jau sen tiek izmantots kā būtiska degviela kodoliekārtās. SiC kompozītmateriālu degviela, ko izmanto dažos kodolreaktoros, spēj izturēt gan augstu temperatūru reaktora serdeņos, gan neitronu apstarošanu, padarot to drošāku par tradicionālo degvielu uz urāna bāzes. Diemžēl radiācijas izraisītās SiC strukturālās izmaiņas var būtiski mainīt tā termofizikālās īpašības; šādas izmaiņas var modelēt, izmantojot Monte Karlo staru izsekošanas simulāciju, lai no SiC iegūtu homogenizētas radiācijas īpašības, kā arī tā cieto fāžu optiskos indeksus.

Silīcija karbīda kompleksais refrakcijas koeficients ir atkarīgs gan no temperatūras, gan spiediena; lai precīzi novērtētu šo sakarību, mēs varam izmērīt atstarošanas spektrus dažādos iedarbības apstākļos; pēc tam, izmantojot šos datus, mēs varam aprēķināt kompleksā refrakcijas koeficienta reālo n un iedomāto k komponenti.

SiC ir ideāls materiāls fotoniskiem lietojumiem, jo tam piemīt izcilas optiskās īpašības, kas nodrošina optimālu gaismas un SiC mijiedarbību, kā arī zemu dispersijas jaudu redzamajos viļņu garumos un atstarošanas koeficientu infrasarkanajos viļņu garumos. Tādējādi SiC ir aizraujošs potenciāls dažādiem lietojumiem.

Lai silīcija karbīdu optimāli izmantotu fotoniskajās struktūrās, tam jābūt ar zemiem dielektriskiem zudumiem; to var panākt, pievienojot politipus, jo tie attiecīgi samazina komplekso refrakcijas indeksu un izkliedes koeficientu, kā arī ļauj SiC absorbēt vairāk gaismas, jo tā kompleksais indekss ir zemāks.

Amorfo silīcija karbīdam ir vairākas izmantošanas iespējas, sākot no enerģijas uzglabāšanas līdz fotoniskiem lietojumiem. A-SiC izceļas ar spēcīgu trešās kārtas nelinearitāti, kas ir 10 reizes lielāka nekā kristāliskajam SiC. Tiek uzskatīts, ka šo efektu rada starpstāvokļi joslas spraugā, kas veicina divu un trīs fotonu absorbciju.

Šajā darbā mēs pētām slāpekļa dopinga ietekmi uz 4H-SiC buļļu augšanu, izmantojot PVT augšanu. Mūsu pētījumi atklāja, ka slāpekļa dopinga pievienošana palielināja pavedienveida dislokāciju nukleāciju agrīnā fāzē. Turklāt tika izstrādātas bezmodeļu izteiksmēs, lai noteiktu lineāro divslāņu un divkāršošanu vienass paraugiem, izmantojot transmisijas elipsometrijas mērījumus pie maziem krišanas leņķiem.

Tas ir amorfs materiāls

Silīcija karbīds (SiC) ir pievilcīgs materiāls monolīti integrētiem fotonikas lietojumiem. Pateicoties augstajam refrakcijas rādītājam, plašajam joslas spraugas laukumam, zemajam termiskās izplešanās koeficientam un lieliskajām elektronu kustīguma īpašībām, SiC ir lielisks materiāls optisko viļņvadu, lāzeru un optisko pastiprinātāju izgatavošanai, kā arī ir saderīgs ar metālu oksīdu pusvadītāju komplementāro nanoizgatavošanu rentabliem fotonikas risinājumiem.

SiC ir brūna līdz melna kristāliska cieta viela, kas kristalizējas heksagonālā tetragonālā sistēmā. To var dopēt n-tipa ar slāpekli un fosforu un p-tipa ar bora, alumīnija vai gallija piedevu, lai iegūtu dažādu elektrovadītspēju, ja tas ir stipri dopēts; tā krāsa rodas no dzelzs piemaisījumiem; šis materiāls arī var lepoties ar lielisku elektrovadītspēju, ja tas ir stipri dopēts, un to izmanto kā lielisku elektrovadītāju arī pēc spēcīgas dopēšanas; tā krāsa rodas no dzelzs piemaisījumiem, jo tā krāsa nodrošina labu elektrovadītspēju pat tad, ja tas ir stipri leģēts; papildus izmantošanai pusvadītāju ierīcēs tas atrod pielietojumu kā abrazīvs instruments karborunda iespiedgrafikā - kurā izmanto smalki samaltas SiC formas, pazīstamas kā karborunds, kā galveno iespieddarbu instrumentu arī šeit izmanto karborunda iespiedgrafikā izmantoto granulu!

Amorfo SiC ražo, izmantojot ķīmisko tvaiku uzklāšanu. Pēc izgatavošanas to var leģēt ar dažādiem elementiem, lai iegūtu īpašas optiskās īpašības - tas ir īpaši svarīgi, ja to izmanto optiskajās dobās; ideāla C/Si attiecība radīs efektīvu bufera slāni pret gāzes fāzes reakcijām nogulsnēšanas procesu laikā.

Amorfā SiC optiskā sprauga parasti svārstās no 1,5 līdz 3,5 eV atkarībā no grafīta klātbūtnes. Tas rodas silīcija un oglekļa mijiedarbības dēļ, kas rada izkliedējošus klasterus; lai to vēl vairāk samazinātu, var samazināt mērķim pievadīto jaudu un samazināt klasteru koncentrāciju, vienlaikus palielinot caurlaidību, kas samazina zudumus.

Pētnieki izstrādā metodes, kā kontrolēt amorfā SiC augšanu un ķīmiju, lai radītu stabilākus materiālus ar samazinātu defektu skaitu, vienlaikus pētot veidus, kā kontrolēt tā sintēzes apstākļus un uzlabot mehāniskās īpašības, lai paplašinātu tā optisko lietojumu. Rezultātā, izmantojot šo materiālu, drīzumā varēs izgatavot lielākus un sarežģītākus spoguļus tādiem astronomiskajiem teleskopiem kā Hershela kosmosa teleskops, un zinātnieki cer, ka tas var uzlabot kvalitāti vairākām paaudzēm.