SiC tozu tek kristal büyümesinde önemli bir rol oynadığından, son yıllarda yüksek-saflıkta SiC tozunun hazırlanması, SiC tek kristal büyümesi alanında giderek araştırmaların sıcak noktası haline geldi.
SiC tozunu sentezlemek için esas olarak üç yöntem vardır: birincisi, esas olarak karbotermal indirgeme yöntemini, mekanik alaşımlama yöntemini ve kendi kendine-yayılan yüksek-sıcaklık sentez yöntemini içeren katı-faz yöntemidir; ikincisi sıvı-faz yöntemidir; bunların en iyi temsilcisi sol-jel yöntemi ve polimer piroliz yöntemidir; ve üçüncüsü gaz-fazı yöntemidir; bunların en iyi temsilcisi kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve plazma yöntemidir.
Katı-Faz Yöntemi
Karbotermal İndirgeme Yöntemi
Karbotermal indirgeme yönteminde genellikle silikon kaynağı olarak silika tozu ve karbon kaynağı olarak karbon karası ve petrol kok kullanılır. Karbon kaynağı ve silisyum kaynağı belirli bir oranda homojen bir şekilde karıştırılıp ısıtılır ve belirli bir sıcaklıkta belirli bir süre tutulduktan sonra silisyum karbür tozu oluşur. Basit prosesi ve düşük hammadde maliyeti nedeniyle silisyum karbürün endüstriyel üretiminde şu anda en yaygın kullanılan yöntemdir.
Şu anda, SiC tozunun geleneksel karbotermal indirgeme yöntemiyle hazırlanmasında hala düşük toz saflığı, yüksek safsızlık içeriği, yüksek enerji tüketimi ve tozun yetersiz inceliği gibi sorunlar yaşanmaktadır. Ancak bu yöntemin ucuz ham madde, basit operasyon ve gelişmiş teknoloji gibi avantajları vardır, dolayısıyla düşük-kaliteli silisyum karbürün hazırlanmasında hâlâ baskın konumunu korumaktadır.
Mekanik Alaşımlama Yöntemi
Silisyum karbür tozunun mekanik alaşımlama yoluyla hazırlanmasında, reaktanlar arasında karşılıklı çarpışmayı ve difüzyonu teşvik etmek ve istenen ürünü oluşturmak için genellikle yüksek-enerjili bilyalı öğütme tarafından üretilen enerji kullanılır. Bilyalı öğütme işlemi sırasında, yüksek-enerjili öğütme bilyalarının yüksek-hızlı dönüşünün oluşturduğu son derece yüksek yerel darbe ve sıkıştırma altında, parçacıkların yeni açığa çıkan yüzeyleri birbiriyle birleşir. Yüksek-enerjili bilyalı öğütme, parçacıkların çok sayıda kusur oluşturmasına neden olur. Serbest enerjiyle hareket eden parçacık yüzeyleri arasındaki atomlar birbirine karışarak yeni bir faz oluşturur.
Mekanik alaşımlama yönteminin basit üretim teknolojisi, düşük maliyet ve silisyum karbür tozunun seri üretimine ulaşma yeteneği gibi avantajları vardır. Bununla birlikte, SiC tozunun mekanik alaşımlama yoluyla sentezi rastgele çarpışma hareketi yoluyla elde edildiğinden, ürün parçacıkları genellikle geniş bir parçacık boyutu dağılımına sahiptir ve malzemeyi taramak için hâlâ sınıflandırma teknolojisine ihtiyaç vardır. Aynı zamanda, bilyalı öğütme işlemi sırasında, öğütme ortamından ve öğütme kavanozlarından gelen yabancı maddeler çok kolay bir şekilde sisteme girer ve hammadde tozu genellikle yüzey-yüzey{-reaksiyonları yoluyla reaksiyona girdiğinden, eksik reaksiyonun meydana gelmesi muhtemeldir. Özetle, mekanik alaşımlama, yüksek-saflıkta SiC tozunun sentezlenmesi için ideal bir yöntem değildir.
Kendiliğinden-Yayılan Yüksek-Sıcaklık Sentezi Yöntemi
Kendiliğinden-yayılan yüksek-sıcaklık sentez yöntemi, katı-faz sentez yöntemine aittir. Bu yöntemde, harici bir ısıtma kaynağı koşulu altında, reaktanların kimyasal reaksiyonunun kendiliğinden ve sürekli ilerlemesi için aktivatörler eklenir. Ancak aktivatörlerin eklenmesi kaçınılmaz olarak başka yabancı maddelerin de ortaya çıkmasına neden olur. Ürünün saflığını sağlamak amacıyla araştırmacılar reaksiyon sıcaklığını artırmayı ve reaksiyonu sürdürmek için ısıtmaya devam etmeyi tercih ediyor. Bu yönteme geliştirilmiş kendi kendine-yayılan yüksek-sıcaklık sentezi yöntemi denir.
Geliştirilmiş kendi kendine-yayılan yüksek-sıcaklıkta sentez yöntemi, basit bir hazırlama sürecine ve yüksek sentez verimliliğine sahiptir ve endüstride yüksek-saflıkta SiC tozu üretmek için yaygın olarak kullanılır. Bu yöntem, katı Si kaynaklarını ve C kaynaklarını hammadde olarak kullanır, bunların 1400-2000 derece C gibi yüksek bir sıcaklıkta sürekli reaksiyona girmesine neden olur ve sonunda yüksek-saflıkta SiC tozu elde edilir. Şu anda, SiC tozu hazırlamak için geliştirilmiş kendi kendine yayılan sentez yönteminin araştırma odağı, SiC tozundaki N element içeriğinin nasıl azaltılacağıdır.
Sıvı-Faz Yöntemi
Sol-Jel Yöntemi
Şu anda, sıvı-faz yöntemleri arasında yalnızca sol-jel yöntemi, yüksek-saflıkta SiC tozunu sentezleyebilmektedir. Hazırlama işlemi, inorganik tuzları veya alkoksitleri bir çözücü (su veya alkol) içinde çözerek tekdüze bir çözelti oluşturmak, tekdüze bir sol elde etmek, daha sonra kurutma veya dehidrasyon yoluyla bir jele dönüştürülmesi ve daha sonra gerekli ultra ince tozu elde etmek için ısıl işleme tabi tutulmasıdır.
Sol-jel yöntemiyle sentezlenen silisyum karbür tozu ilk olarak silisyum karbür seramiklerinin sinterlenmesinde kullanıldı. Prosesin sürekli iyileştirilmesiyle sentezlenen tozun saflığı da artmaya devam etti. Şu anda sol-jel yöntemiyle hazırlanan SiC tozu, tek kristal büyütme için halihazırda kullanılabilir. Sol-jel yöntemi, yüksek-saflıkta, çok ince SiC tozu hazırlayabilir, ancak hazırlama maliyeti nispeten yüksektir ve sentez süreci karmaşıktır, dolayısıyla endüstriyel üretim için uygun değildir.
Polimer Piroliz Yöntemi
Polimer pirolizi yöntemi esas olarak organik polimerleri yüksek sıcaklıkta ayrıştırarak SiC tozu üretir. Bu sentez yöntemi temel olarak iki kategoriye ayrılır: birincisi, bir ayrışma reaksiyonuna girmek ve küçük monomerleri serbest bırakmak, SiO2 ve C oluşturmak için bir öncüyü ısıtmak ve ardından karbotermal indirgeme reaksiyonu yoluyla SiC tozu hazırlamaktır; diğeri, bir monomer Si-C iskeletini serbest bırakmak ve sonuçta SiC tozu oluşturmak için bir öncüyü ısıtmaktır. 1990'larda polimer piroliz yöntemiyle ilgili pek çok çalışma vardı, ancak son yıllarda düşük ürün dönüşüm oranı, çok yüksek hammadde maliyeti ve nispeten büyük kirlilik nedeniyle ilgili araştırmacıların sayısı çok azdı.
Gaz-Faz Yöntemi
Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi (CVD)
CVD yöntemi, gazların yüksek-sıcaklık reaksiyonu yoluyla ultra ince, yüksek-saflıkta Si tozu elde eder. Si kaynağı genellikle SiH4 ve SiCl4 vb. arasından seçilir ve C kaynağı genellikle CH4, C2H2 ve CCl4 vb. arasından seçilir; (CH3)2SiCl2 ve Si(CH3)4 gibi gazlar ise hem Si kaynağını hem de C kaynağını aynı anda sağlayabilir. Bu gazların saflığı %99,9999'un üzerindedir.
Şu anda CVD yönteminde hammadde olarak çoğunlukla organik gaz kaynakları kullanılmaktadır. Bu yöntem, ekipmanın giriş akış hızının hassas kontrolünü gerektirir ve sentez gazı kaynaklarının ve dahili grafit parçaların saflığı açısından son derece yüksek gereksinimlere sahiptir. Aynı zamanda, kimyasal reaksiyonun çok sayıda yan ürünü olduğundan-klorürler gibi aşındırıcı ve zehirli gazlar çok kolay üretilmekte, operatörler ve ekipman üzerinde yüksek talepler ortaya çıkmakta ve dolayısıyla üretim maliyetleri de yüksek kalmaktadır. Ayrıca bu yöntemle sentezlenen toz, toplanması kolay olmayan nano ölçekli ultra ince tozdur. Ayrıca, kimyasal buhar birikiminin sınırlamaları nedeniyle sentez hızı nispeten yavaştır ve şu anda yüksek-saflıkta SiC tozunun büyük-ölçekli üretimini başaramaz.
Plazma Yöntemi
Plazma yöntemi, reaksiyon gazlarını bir radyo-frekans güç kaynağı tarafından uyarılan bir plazma kabına geçirmektir. Gazlar, yüksek-hızlı elektronlarla çarpışmalar altında birbirleriyle reaksiyona girer ve sonunda yüksek-saflıkta SiC tozu elde edilir. Plazma yönteminde kullanılan gaz kaynakları CVD yöntemindekilerle aynı olup, gaz saflığı da %99,9999'un üzerindedir.
Plazma yöntemi, yüksek-saflıkta SiC tozunu sentezleyebilir ve toz parçacık boyutu dağılımı, herhangi bir kirlilik sorunu olmadan tekdüzedir. Bununla birlikte, sentezlenen toz parçacık boyutu, tek kristal büyütmenin gerekliliklerini karşılayamayacak kadar küçüktür ve kristal büyütme için kullanılmadan önce daha ileri işlemlere ihtiyaç vardır. Ayrıca ekipmanın kullanım ömrü kısa ve maliyeti yüksektir.