Carbură de siliciu Indice de refracție

Carbura de siliciu este un semiconductor cu bandă largă superioară, cu proprietăți fizice și chimice remarcabile, inclusiv cristale cu irizații de la galben la albastru-verzui până la negru-albăstrui.

Măsurătorile indicelui de refracție pe SiC cubic crescut epitaxial au fost efectuate cu atenție folosind elipsometrie spectroscopică cu unghi variabil, arătând că atât indicele de refracție obișnuit, cât și cel extraordinar cresc cu temperatura.

Indicele de refracție

Indicele de refracție este un număr adimensional care descrie modul în care lumina trece prin material; de exemplu, sticla are un indice de refracție de 1,5, în timp ce cristalul de plumb are un indice de 1,77, iar diamantul de 2,42. În general, cu cât indicele de refracție al unui material este mai mare, cu atât aspectul său este mai strălucitor.

Carbura de siliciu posedă un indice de refracție excepțional care rivalizează cu safirul și rubinul și este de două ori mai mare decât cuarțul. Acest lucru îl face un material potrivit pentru fabricarea componentelor optice de înaltă performanță, cum ar fi ghidurile de undă. Cu toate acestea, indicele său de refracție se poate modifica în funcție de temperatura de depunere sau de materialul substratului pe care este depus. În plus, impuritățile sau defectele din filmul său pot influența proprietățile sale.

Filmele SiC de înaltă calitate pot fi obținute pe diferite substraturi, inclusiv siliciu (Si), carbură de tungsten (WC) și dioxid de titan (TiO2). Cu toate acestea, este esențial să înțelegem modul în care fiecare substrat afectează proprietățile optice ale filmelor de SiC produse pe acesta.

Parametrii optici ai straturilor subțiri de SiC depind de grosimea acestora; pentru a măsura cu exactitate acești parametri optici, măsurătorile obținute în urma unei analize elipsometrice trebuie să fie ajustate în funcții dielectrice simple, utilizând formule de ajustare a acestora la datele de măsurare din funcții dielectrice simple. În cazul SiC, măsurătorile indicelui de refracție și ale birefringenței la mai multe lungimi de undă oferă rezultate mai precise.

Informațiile colectate pot fi apoi utilizate pentru a construi un model al proprietăților optice ale structurilor SiC-on-SiC, rezultatele fiind comparate cu observațiile spectrelor astronomice de extincție în scopuri comparative și de validare a teoriilor; de asemenea, pot fi necesare lucrări experimentale suplimentare pentru a rafina în continuare aceste teorii.

Indicele de refracție reglabil pentru filmele de carbură de siliciu este un element integral pentru dezvoltarea dispozitivelor fotonice la scară de cip. Valoarea sa depinde de raportul dintre concentrația de siliciu și cea de carbon din film; și poate diferi în funcție de polimorfii alfa sau beta ai carburii de siliciu sau chiar în funcție de grosime.

Coeficienți de extincție

Carbura de siliciu este un material cubic cu transmisie optică ridicată și dispersii scăzute, care se mândrește cu proprietăți excelente de transmisie optică și cu o capacitate excepțională de punte, datorită energiei sale mari de band gap. Datorită nivelurilor scăzute de dispersie, carbura de siliciu reprezintă o alegere atractivă de material pentru aplicațiile care necesită o modelare precisă a proprietăților radiațiilor - cum ar fi schimbătoarele de căldură cu medii poroase. În plus, coeficientul său de extincție oferă calcule utile ale conductivității termice radiative.

Proprietățile optice ale carburii de siliciu sunt determinate de structura sa cristalină și de nivelurile de dopaj, indicele său normal de refracție fiind 2,6584 pentru planul cristalin 111 și 3,0823 pentru planul cristalin 100. Indicii variază în funcție de lungimea de undă; astfel, indicele de refracție este proporțional cu frecvența, contribuind totodată la coeficientul de extincție dependent de frecvență.

Carbura de siliciu se remarcă în rândul materialelor pentru suprafețe optice datorită capacității sale excelente de acoperire, expansiunii termice reduse și proprietăților de rigiditate, ceea ce o face materialul ideal pentru suprafețele optice, cum ar fi oglinzile telescoapelor. Carbura de siliciu găsește, de asemenea, aplicații în diodele emițătoare de lumină (LED) și detectoarele utilizate de dispozitivele electronice.

Carbura de siliciu se prezintă sub diferite forme, dar alfa este cea mai răspândită varietate. Acesta prezintă o structură cristalină hexagonală similară cu cea a wurtzitei și se poate forma la temperaturi de peste 1700 de grade C. Un alt polimorf este beta, care prezintă o structură cristalină de zinc blende similară formării diamantului la temperaturi mai scăzute.

Au fost măsurate spectrele de extincție de laborator ale granulelor de carbură de siliciu alfa, care corespund îndeaproape cu observațiile astronomice. Din păcate, însă, aceste măsurători singure nu pot furniza suficiente informații pentru interpretarea precisă a profilelor caracteristice de 11,5 mm de pe stelele C, deoarece modelele de transfer radiativ necesită cunoașterea indicelui complex al materialului circumstelar în spectrul electromagnetic. Pentru a rezolva această problemă și a satisface cerința modelelor de transfer radiativ de cunoaștere a indicelui complex al materialului circumstelar în întregul spectru electromagnetic, autorii prezintă o funcție dielectrică completă calculată din analiza Kramers-Kronig, care confirmă faptul că caracteristica prezentă de aceste spectre de extincție este într-adevăr legată de alfa-SiC.

Proprietăți optice

Proprietățile optice ale carburii de siliciu sunt determinate de structura sa atomică, în special de prezența a două defecte punctiforme specifice: impurități de aluminiu pe subrețeaua de siliciu AlSi și impurități de azot pe subrețeaua de carbon NC. Aceste defecte punctiforme, la rândul lor, contribuie la definirea caracteristicilor optice. Expansiunea termică redusă, duritatea și rigiditatea ridicate ale carburii de siliciu alfa fac din aceasta un material atractiv pentru oglinzile telescoapelor astronomice. Sunt disponibile spectre de extincție de laborator care reflectă cu acuratețe ceea ce se poate observa prin observații în spațiu. Spectrele de laborator sunt insuficiente pentru a caracteriza pe deplin proprietățile optice ale materialelor la toate frecvențele electromagnetice. Această lucrare prezintă o funcție dielectrică sintetică completă pentru acest material, obținută prin analiza Kramers-Kronig a datelor existente și a spectrelor experimentale de extincție. Această funcție servește drept intrare pentru modelele de transfer radiativ care caracterizează mediile de praf spațial.

Probele de film subțire de SiC cu diferite grosimi au fost fabricate prin depunere chimică de vapori îmbunătățită cu plasmă (PECVD). Structura și morfologia lor au fost examinate prin diverse mijloace, cum ar fi reflectivitatea razelor X, difracția razelor X a pulberilor, microscopia electronică cu baleiaj și microscopia cu forță atomică; constantele lor optice (părțile reale/imaginare ale funcției dielectrice complexe și ale indicelui de refracție), determinarea constantei optice a benzii interzise au fost toate efectuate prin elipsometrie spectroscopică.

Studiile demonstrează că indicele de refracție al SiC scade pe măsură ce grosimea sa crește, conform previziunilor. Atât partea reală, cât și cea imaginară a funcției sale dielectrice complexe, precum și coeficienții de absorbție depind atât de lungimea de undă a radiației incidente, cât și de direcția polarizării; aceste constatări confirmă previziunile conform cărora structura sa stratificată are o influență pozitivă asupra constantelor optice care îmbunătățesc transmisia într-un spectru electromagnetic extins.

Efectele toxice ale carburii de siliciu provin în mare parte din interacțiunea sa puternică cu moleculele de oxigen și apă, ceea ce duce la supraexpunerea la clorură de hidrogen gazoasă care poate duce la detresă respiratorie, bronhoconstricție și acumulare de lichid în plămâni, precum și la crampe abdominale, greață și vărsături. În plus, expunerea la vaporii săi ar putea modifica evoluția tuberculozei prin inhalare, ducând la fibroză extinsă și la progresia bolii.

Materiale

Indicele de refracție măsoară capacitatea materialelor de a curba undele luminoase. Fiecare material are indici diferiți: apa are un indice de refracție de 1,5; cristalul de plumb are unul mai mare; diamantul are unul de peste 2,42 ceea ce explică aspectul lor superb atunci când sunt expuse direct la lumina soarelui. Carbura de siliciu are un indice de refracție de 2,5, ceea ce o face un excelent material dur și rezistent la uzură, cu proprietăți electrice deosebite care fac posibile pelicule subțiri din ea, utilizate în electronică, inclusiv în LED-uri și detectoare radio timpurii, precum și în electroluminescență, cu o eficiență de 10-2 la 5600 A (Engineering Property Data).

Conductivitatea termică ridicată și rigiditatea carburii de siliciu o transformă într-unul dintre materialele de top pentru utilizarea în oglinzile telescoapelor, inclusiv la observatoarele spațiale Herschel și Gaia, unde mai multe telescoape mari dispun de oglinzi din carbură de siliciu. În plus, coeficientul său scăzut de dilatare termică îl face o alegere excelentă pentru subsistemele navelor spațiale.

Contrar susceptibilității siliciului la oxidarea cu aer la temperaturi ridicate, carbura de siliciu este foarte rezistentă. În plus, este cel mai dur dintre toți silicații. Se găsește cel mai adesea sub formă de material policristalin, dar se pot forma și monocristale prin procedeul Lely cu pulbere de siliciu sublimată; carbura de siliciu cubică poate fi obținută și prin depunere chimică de vapori, fiind necesare temperaturi de creștere mai ridicate.

Carbura de siliciu legată prin reacție este impermeabilă la oxigen, ceea ce o face o alegere rentabilă pentru aplicațiile care necesită rezistență la coroziune la temperaturi ridicate.

Fibrele de carbură de siliciu CVD sunt create prin stratificarea materialului de bază bogat în carbon cu mantale de carbon și pot fi întărite cu diverse materiale, inclusiv tungsten. Rezistența lor la temperatura camerei este în medie de 4 GPa; rezistențele lor longitudinale și radiale variază, rezistența longitudinală fiind de obicei mai mare. Cu toate acestea, în timp, aceste fibre devin mai slabe, probabil din cauza reacțiilor interfaciale dintre componentele lor de tungsten din miez și mantilă, precum și a creșterii granulelor în materialul de carbură de siliciu din miez.