Цахиурын нитрид (Si₃N₄) керамик нь дэвшилтэт бүтцийн керамикийн хувьд өндөр температурт тэсвэртэй, өндөр бат бэх, өндөр хатуулаг, өндөр хатуулаг, мөлхөх эсэргүүцэл, исэлдэлтийн эсэргүүцэл, элэгдэлд тэсвэртэй зэрэг маш сайн шинж чанартай байдаг. Нэмж дурдахад тэдгээр нь дулааны цохилтод тэсвэртэй, диэлектрик шинж чанар, өндөр дулаан дамжуулалт, өндөр давтамжийн цахилгаан соронзон долгион дамжуулах маш сайн гүйцэтгэлийг санал болгодог. Эдгээр гайхалтай иж бүрэн шинж чанарууд нь тэдгээрийг бүтцийн нарийн төвөгтэй бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд, ялангуяа сансар огторгуй болон бусад өндөр технологийн салбарт өргөнөөр ашигладаг.
Гэсэн хэдий ч Si₃N₄ нь хүчтэй ковалент холбоо бүхий нэгдлүүдийн хувьд тогтвортой бүтэцтэй бөгөөд зөвхөн хатуу төлөвт тархах замаар өндөр нягтралтай болгоход хэцүү болгодог. Металл исэл (MgO, CaO, Al₂O₃) болон газрын ховор оксид (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) зэрэг агломержуулалтыг идэвхжүүлэхийн тулд шингэн фазын агломерын механизмаар дамжуулан нягтралыг хөнгөвчлөхийн тулд шингэлэх туслах бодисуудыг нэмдэг.
Одоогийн байдлаар дэлхийн хагас дамжуулагч төхөөрөмжийн технологи нь илүү өндөр хүчдэл, илүү их гүйдэл, илүү их эрчим хүчний нягтрал руу хөгжиж байна. Si₃N₄ керамик эдлэл хийх аргын судалгаа өргөн хүрээтэй. Энэ нийтлэлд цахиурын нитридын керамикийн нягтрал, механик шинж чанарыг үр дүнтэй сайжруулдаг синтерлэх процессуудыг танилцуулж байна.
Si₃N₄ керамик эдлэлийг шингэлэх нийтлэг аргууд
Төрөл бүрийн синтерийн аргаар бэлтгэсэн Si₃N₄ керамик эдлэлийн гүйцэтгэлийн харьцуулалт
1. Реактив синтеринг (RS):Реактив агломержуулалт нь Si₃N₄ керамик эдлэлийг үйлдвэрлэлийн аргаар бэлтгэхэд ашигласан анхны арга юм. Энэ нь энгийн, хэмнэлттэй, нарийн төвөгтэй хэлбэрийг бий болгох чадвартай. Гэсэн хэдий ч энэ нь урт үйлдвэрлэлийн циклтэй бөгөөд энэ нь үйлдвэрлэлийн хэмжээний үйлдвэрлэлд тохиромжгүй юм.
2. Даралтгүй синтеринг (PLS):Энэ бол хамгийн энгийн бөгөөд энгийн синтеринг хийх процесс юм. Гэсэн хэдий ч энэ нь өндөр чанарын Si₃N₄ түүхий эд шаарддаг бөгөөд ихэвчлэн бага нягтралтай, мэдэгдэхүйц агшилттай, хагарах, хэв гажилтанд өртөх хандлагатай керамик эдлэлийг бий болгодог.
3. Халуун даралтаар шингэлэх (HP):Нэг тэнхлэгт механик даралт хэрэглэх нь агломержуулалтын хөдөлгөгч хүчийг нэмэгдүүлж, нягт керамик эдлэлийг даралтгүй агломержуулалтад ашигладаг температураас 100-200 ° C бага температурт үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Энэ аргыг ихэвчлэн харьцангуй энгийн блок хэлбэрийн керамик эдлэл хийхэд ашигладаг боловч субстратын материалын зузаан, хэлбэрийн шаардлагыг хангахад хэцүү байдаг.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS нь хурдан шингэлэх, үр тариаг боловсронгуй болгох, агшилтын температурыг бууруулах зэргээр тодорхойлогддог. Гэсэн хэдий ч SPS нь тоног төхөөрөмжид ихээхэн хэмжээний хөрөнгө оруулалт шаарддаг бөгөөд SPS-ээр дамжуулан өндөр дулаан дамжилтын Si₃N₄ керамик бэлтгэх нь туршилтын шатандаа байгаа бөгөөд үйлдвэржүүлээгүй байна.
5. Хийн даралтат шингэлэх (GPS):Хийн даралтыг хэрэглэснээр энэ арга нь өндөр температурт керамик задрал, жингийн алдагдалыг саатуулдаг. Энэ нь өндөр нягтралтай керамик үйлдвэрлэхэд хялбар бөгөөд багцын үйлдвэрлэлийг зөвшөөрдөг. Гэсэн хэдий ч нэг үе шаттай хийн даралтат шингэлэх процесс нь дотоод болон гадаад өнгө, бүтэц нь жигд бүтэцтэй бүтцийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг үйлдвэрлэхэд бэрхшээлтэй байдаг. Хоёр шатлалт эсвэл олон үе шаттай агнуурын процессыг ашиглах нь мөхлөг хоорондын хүчилтөрөгчийн агууламжийг мэдэгдэхүйц бууруулж, дулаан дамжуулалтыг сайжруулж, ерөнхий шинж чанарыг сайжруулна.
Гэсэн хэдий ч хоёр шатлалт хийн даралтын агломержуулалтын өндөр температур нь өмнөх судалгаанд голчлон өндөр дулаан дамжуулалт, өрөөний температурт гулзайлтын бат бөх Si₃N₄ керамик субстрат бэлтгэхэд чиглэгдэж байна. Цогц механик шинж чанартай, өндөр температурт механик шинж чанартай Si₃N₄ керамик эдлэлийн судалгаа харьцангуй хязгаарлагдмал.
Si₃N₄-ийн хийн даралтын хоёр үе шаттай шингэлэх арга
Ян Жоу болон Чунцин Технологийн Их Сургуулийн хамт олон 1800°С-т нэг шаттай болон хоёр шаттай хийн даралтат агломерын процессыг ашиглан Si₃N₄ керамик эдлэл бэлтгэхийн тулд жингийн 5% Yb₂O₃ + 5 жингийн% Al₂O₃ агломерын тусламжийн системийг ашигласан. Хоёр үе шаттай шингэлэх процессоор үйлдвэрлэсэн Si₃N₄ керамик нь илүү нягтралтай, илүү сайн механик шинж чанартай байв. Si₃N₄ керамик эд ангиудын бичил бүтэц, механик шинж чанарт нэг ба хоёр шаттай хийн даралтат агломержуулалтын үр нөлөөг доор харуулав.
Нягт Si₃N₄-ийн нягтралын процесс нь үе шат хоорондын давхцал бүхий гурван үе шаттай байдаг. Нэгдүгээр үе шат буюу бөөмийн дахин зохион байгуулалт, хоёрдугаар шат болох уусах-хур тунадас нь нягтралын хамгийн чухал үе шатууд юм. Эдгээр үе шатанд хангалттай хариу өгөх хугацаа нь дээжийн нягтыг ихээхэн сайжруулдаг. Хоёр үе шаттай синтерлэх процессын өмнөх агшилтын температурыг 1600 ° C-д тохируулах үед β-Si₃N₄ мөхлөгүүд нь хүрээ үүсгэж, битүү нүх үүсгэдэг. Урьдчилан шингэлсний дараа өндөр температур, азотын даралтын дор халаах нь шингэний фазын урсгал болон дүүргэлтийг дэмждэг бөгөөд энэ нь битүү нүх сүвийг арилгахад тусалдаг ба Si₃N₄ керамикийн нягтыг улам сайжруулдаг. Тиймээс хоёр шатлалт синтерингээр гаргаж авсан дээж нь нэг шатлалт синтерингээс илүү өндөр нягтрал, харьцангуй нягтыг харуулдаг.
Үе шат ба бичил бүтэц Нэг үе шаттай синтеринг хийх үед бөөмсийг дахин зохион байгуулах, ширхэгийн хилийн тархалт хийх хугацаа хязгаарлагдмал байдаг. Хоёр үе шаттай синтерлэх процесст эхний алхамыг бага температур, хийн даралт багатай үед явуулдаг бөгөөд энэ нь бөөмийн дахин зохион байгуулалтын хугацааг уртасгаж, илүү том ширхэгтэй болгодог. Дараа нь температурыг өндөр температурын үе шат хүртэл нэмэгдүүлж, үр тариа нь Оствальд боловсорч гүйцсэн процессоор үргэлжлүүлэн ургаж, өндөр нягтралтай Si₃N₄ керамикийг бий болгодог.
Механик шинж чанарууд Өндөр температурт мөхлөг хоорондын фазыг зөөлрүүлэх нь бат бэх буурах үндсэн шалтгаан болдог. Нэг үе шаттайгаар задлах үед үр тарианы хэвийн бус өсөлт нь үр тарианы хооронд жижиг нүх сүв үүсгэдэг бөгөөд энэ нь өндөр температурт хүч чадлыг мэдэгдэхүйц сайжруулахаас сэргийлдэг. Гэсэн хэдий ч хоёр үе шаттай нунтаглах процесст шилэн фаз, мөхлөгүүдийн хил хязгаарт жигд тархсан, ижил хэмжээтэй ширхэгүүд нь мөхлөг хоорондын бат бөх чанарыг сайжруулж, өндөр температурт гулзайлтын бат бөх чанарыг бий болгодог.
Дүгнэж хэлэхэд, нэг үе шаттайгаар задлах явцад удаан хугацаагаар барих нь дотоод сүвэрхэг чанарыг үр дүнтэй бууруулж, дотоод өнгө, бүтцийг жигд болгох боловч үр тарианы хэвийн бус өсөлтийг бий болгож, зарим механик шинж чанарыг доройтуулж болзошгүй юм. Хоёр үе шаттай нунтаглах процессыг ашигласнаар - бөөмийн дахин зохион байгуулалтын хугацааг уртасгахын тулд бага температурт урьдчилан шингэлэх, үр тарианы жигд өсөлтийг дэмжихийн тулд өндөр температурт хадгалах замаар - 98.25% харьцангуй нягттай, жигд бичил бүтэцтэй, маш сайн механик шинж чанартай Si₃N₄ керамик. амжилттай бэлтгэж болно.
| Нэр | Субстрат | Эпитаксиаль давхаргын найрлага | Эпитаксиаль үйл явц | Эпитаксиаль орчин |
| Цахиурын гомоэпитаксиал | Si | Si | Уурын фазын эпитакси (VPE) | SiCl4+H2 |
| Цахиурын гетероэпитаксиал | Сапфир эсвэл шпинель | Si | Уурын фазын эпитакси (VPE) | SiH₄+H₂ |
| Homoepitaxial GaAs | GaAs | GaAs GaAs | Уурын фазын эпитакси (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Молекулын цацрагийн эпитакси (MBE) | Ga+As | |
| GaAs гетероэпитаксиал | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Шингэн фазын эпитакси (LPE) Уурын үе шат (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Га+Үнс3+PH3+CHl+H2 |
| GaP гомоэпитаксиал | GaP | GaP(GaP;N) | Шингэн фазын эпитакси (LPE) Шингэн фазын эпитакси (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superlattice | GaAs | GaAlAs/GaAs (мөчлөг) | Молекулын цацрагийн эпитакси (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP гомоэпитаксиал | InP | InP | Уурын фазын эпитакси (VPE) Шингэн фазын эпитакси (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs эпитакси | Si | GaAs | Молекулын цацрагийн эпитакси (MBE) MOGVD | Га, Ас GaR₃+AsH₃+H₂ |
Шуудангийн цаг: 2024 оны 12-р сарын 24