 |
Marie Curie Actions |
Mansic για όλους |
|||||||||||
Ανθρακικό πυρίτιο |
|
| Το ανθρακικό πυρίτιο (SiC), γνωστό επίσης ως carborundum ή moissanite (ονομασία που προέρχεται από τον Γάλλο ερευνητή Dr. Henri MOISSAN ο οποίος πρώτος προσδιόρισε την ταυτότητα του το 1905), είναι ένα στερεό διμερές αποτελούμενο από 50% άνθρακα και 50% πυρίτιο. Το φυσικό SiC συναντάται μόνο σε απειροστές ποσότητες σε εξαιρετικούς σχηματισμούς όπως αδαμαντοφόρες φλέβες, κιμπερλιτικά (kimberlitic) ηφαιστειακά ορύγματα, ακόμα και σε κάποιους τύπους μετεωριτών. Ουσιαστικά, όλο το πωλούμενο ανθρακικό πυρίτιο παγκοσμίως είναι συνθετικό (synthetic). |
||||||
Το υλικό αυτό με τη διττή του φύση ως κεραμικό και ημιαγωγός παρουσιάζει αξιοσημείωτες ιδιότητες. Είναι ένα υλικό πολύ σκληρό (σχεδόν σαν το διαμάντι), χημικά αδρανές, με ανθεκτικότητα σε περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών (>1000°C), οξειδωτικό και τραχύ. Έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα έτσι ώστε να απάγει την θερμότητα όπως τα μέταλλα. Έχει χρησιμοποιηθεί ως λειαντικό για περισσότερο από έναν αιώνα στην βιομηχανία (ως κύριο προϊόν στην Ανθακοπυριτική βιομηχανία) αλλά στις μέρες μας οι εφαρμογές του έχουν επεκταθεί στην αεροδιαστημική (κινητήρες υψηλών θερμοκρασιών, δισκόφρενα), τα σύνθετα υλικά, τα φίλτρα στερεολυμάτων και τα θερμικά στοιχεία. |
||||||
Οι κρύσταλλοι του SiC έχουν προσφάτως χρησιμοποιηθεί στην κοσμηματοποιεία υπό την ονομασία Μοσσανίτες ( moissanite ) εξαιτίας των συναφών οπτικών τους ιδιοτήτων με το διαμάντι. Ωστόσο, η κύρια εφαρμογή των κρυστάλλων SiC είναι στην ηλεκτρονική. Πράγματι, οι ηλεκτρονικές διατάξεις βασισμένες στο SiC δύναται να λειτουργούν σε υψηλότερη θερμοκρασία, ισχύ, συχνότητα και περιβάλλον από τις υπάρχουσες βασισμένες σε άλλα ημιαγώγημα υλικά (πυρίτιο, γερμάνιο, αρσενιούχο γάλλιο,..). Προκειμένου, όμως, να επιτευκτούν οι ενδογενείς ηλεκτρονικές ιδιότητες του SiC , είναι αναγκαίο να αναπτυχθούν κρύσταλλοι SiC υψηλής ποιότητας. |
||||||
|
||||||
| Ανάπτυξη κρυστάλλων SiC | ||||||
Κρύσταλλος ονομάζεται ένα στερεό υλικό αποτελούμενο από μια κανονική και περιοδική επιστοίβαση ατόμων. Σχεδόν κάθε στερεό υλικό (μέταλλα, κράματα, κεραμικά, άλατα, πλαστικά…) είναι δυνατό να συγκροτήσει κρυστάλλους εφόσον επιτευκτούν οι συνθήκες για την οργανωμένη διάταξη των ατόμων του. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ένα ποσό ενέργειας (θερμότητα ή πίεση) πρέπει να δοθεί ως αρωγή στα άτομα για να τοποθετηθούν στο τρισδιάστατο πλέγμα. Οι φυσικοί κρύσταλλοι είναι αυθόρμητα σχηματισμένοι, ωστόσο, η διαδικασία σχηματισμού τους δημιουργεί πολλές ατέλειες (ατελής επίταξη, εγκλείσματα ετερογενών υλικών,…). Εφόσον υπάρχει η ανάγκη της βιομηχανίας ηλεκτρονικών για κρυστάλλους υψηλής ποιότητας προκειμένου να αναβαθμίσει τις επιδόσεις των παραγόμενων συσκευών, οι βέλτιστοι τυχαία αναπτυγμένοι κρύσταλλοι γενικά χρησιμοποιούνται ως σπόροι για την περαιτέρω ανάπτυξη ή και βελτίωση της ποιότητας τους. Επομένως, μια τεχνική αντιγραφής γνωστή ως επιταξία (από την σύνθετη Ελληνική ονομασία "επί = από επάνω" και την "τάξη = διευθέτηση") εφαρμόζεται χρησιμοποιώντας κάποια αντιδραστήρια και έναν σπόρο. |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Είναι αξιοσημείωτο ότι η περιοδικότητα της διάταξης (το τρισδιάστατο ατομικό πλέγμα) των ατόμων στον κρύσταλλο συχνά εξαρτάται από τις συνθήκες της κρυστάλλωσης. Το πιο φημισμένο παράδειγμα δίνεται από τα άτομα άνθρακα τα οποία είναι δυνατό να δημιουργήσουν το γραφίτη (κάρβουνο) υπό μέτριες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, ενώ είναι επίσης δυνατό να οδηγήσει σε διαμάντι εάν η θερμοκρασία και η πίεση είναι εξαιρετικά υψηλή. Αυτή η δυνατότητα να κρυσταλλώνεται σε διαφορετικές μορφές αποκαλείται πολυμορφισμός (από την σύνθετη Ελληνική ονομασία "πολλές" και "μορφές = σχήματα"). |
||||||
Το SiC παρουσιάζει μία ειδική μορφή πολυμορφισμού, τον λεγόμενο πολυτυπισμό (polytypism), όπου η αλλαγή των σειρών επιστοίβασης των ατόμων προκύπτει μόνο σε μία ειδική διεύθυνση του τρισδιάστατου πλέγματος. Εξαιτίας αυτής της ιδιαίτερης ιδιότητας η οποία επιτρέπει σχεδόν απεριόριστες παραλλαγές του πλέγματος, δεκάδες πολύτυπα SiC έχουν ανακαλυφθεί. |
||||||
Ωστόσο, μόνο τρείς από αυτούς είναι κυρίως παραγόμενα εξαιτίας της μεγαλύτερης σταθερότητάς τους. Αυτά ονομάζονται 6H-SiC, 4H-SiC και 3C-SiC (τα γράμματα H και C αναφέρονται στην κρυσταλλική συμμετρία, H για το εξαγωνικό και C για το κυβικό). Οι περισσότερες από τις φυσικές ιδιότητες αυτών των πολυτύπων είναι ταυτοτικές, εκτός από τις ηλεκτρονικές. Για τις ηλεκτρονικές διατάξεις, κάθε πολύτυπος έχει ιδιαίτερα προτερήματα. Για παράδειγμα, ο 4H ενδείκνυται για υψηλή ισχή (π.χ. διανομέας ηλεκτρισμού υψηλού δυναμικού) και υψηλή θερμοκρασία (π.χ. κινητήρες αυτοκινήτων και αεροσκαφών) ενώ ο 3C, εν δυνάμη, ενδείκνυται για για εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων (π.χ. radar). |
||||||
|
||||||
Εξαιτίας της υψηλής θερμικής σταθερότητας του SiC, πρέπει να παρασχεθεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας στο υλικό προκειμένου να επιτραπεί η κρυσταλλική του ανάπτυξη. Σαν συνέπεια, η τεχνική που συνήθως χρησιμοποιείται σε τέτοιου είδους αναπτύξεις απαιτεί θερμοκρασίες πάνω από 2200°C. Η απαίτηση για υψηλές θερμοκρασίες δυσκολεύει τον έλεγχο της διαδικασίας ανάπτυξης. Επιπλέον, οι συνθήκες αυτές επιτρέπουν μόνο την κρυστάλλωση των εξαγωνικής μορφής πολυτύπων (6H and 4H), καθώς το 3C είναι σταθερό σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (κάτω από 2000°C) όπου η ενέργεια που δίνεται στα άτομα δεν είναι αρκετή για την σωστή κρυσταλλική ανάπτυξη. |
||||||
Αυτός είναι ο λόγος γιατί μέχρι τώρα δεν υπάρχουν εμπορικά διαθέσιμοι κρύσταλλοι 3C-SiC με ικανοποιητική ποιότητα για εφαρμογές στην ηλεκτρονική, ενώ υψηλής ποιότητας 4H και 6H κρύσταλλοι είναι δυνατό να αγοραστούν από διάφορες εταιρίες. |
||||||
| Ανάπτυξη κρυσταλλικού κυβικού SiC | ||||||
Δύο κρίσιμα σημεία πρέπει να λυθούν προκειμένου να δημιουργηθούν κρύσταλλοι 3C-SiC χρήσιμοι για εφαρμογές ηλεκτρονικής: |
||||||
1) να εξευρεθεί ένας ικανοποιητικός σπόρος για την επιταξιακή ανάπτυξη 3C (μιας και δεν υπάρχει διαθέσιμος κρύσταλλος 3C καλής ποιότητας) |
||||||
2) να αναπτυχθούν νέες τεχνικές ανάπτυξης υλικών οι οποίες μπορούν να παρέχουν καλής ποιότητας κρυστάλλους 3C (χαμηλή πυκνότητα ατελειών) ακόμη και στις χαμηλές θερμοκρασίες (για την σταθεροποίηση του 3C). |
||||||
Σε ότι αφορά τον σπόρο, κρυσταλλικό πυρίτιο έχει εκτεταμένα μελετηθεί για επιταξία SiC αλλά το προκύπτων 3C είναι πάντα χαμηλής ποιότητας. Σε ιδιαίτερες συνθήκες, πολύτυποι 6H και 4H μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως σπόροι για επιταξία 3C αλλά τα υμένια αυτά έχουν συνήθως υψηλή πυκνότητα ατελειών. |
||||||
Προσφάτως, νέες τεχνικές ανάπτυξης με στόχο τον πολύτυπο 3C έχουν αναπτυχθεί στην Ευρώπη. Αυτές έχουν παρουσιάσει πολύ υποσχόμενα και συμπληρωματικά αποτελέσματα μιας και η μία επιτρέπει εναπόθεση καλής ποιότητας υμενίων 3C (πάχους μερικών µm, 10-6 m) επί υποστρωμάτων 6H (ή 4H) ενώ η άλλη επιτρέπει ανάπτυξη παχύτερων υλικών 3C (με πάχος μερικές εκατοντάδες µm έως μερικά mm) ενώ παρέλληλα διατηρούν την ποιότητα του υποκείμενου σπόρου 3C. |
||||||
Δεν υπάρχει πραγματικός ανταγωνιστής σε διεθνές επίπεδο που χρησιμοποιεί παρόμοιες τεχνικές, το οποίο σημαίνει ότι η Ευρώπη έχει το πλεονέκτημα στον συγκεκριμένο τομέα και έχει να διαδραματίσει πρωτεύοντα ρόλο. |
||||||
|
||||||
| Αντικειμενικός σκοπός του MANSiC | ||||||
Η παρούσα συνεργασία του MANSiC συγκεντρώνει τις ομάδες που αναπτύσσουν τέτοιες νέες τεχνικές ανάπτυξης υλικών και άλλα Ευρωπαϊκά εργαστήρια με διεθνώς αναγνωρισμένη ειδίκευση στο πεδίο του SiC για εφαρμογές στην ηλεκτρονική. Αυτή η συνδυασμένη προσπάθεια μπορεί μετά βεβαιότητας να επιτρέψει μία εναλλακτική και Ευρωπαϊκή πηγή εμπορικών κρυστάλλων 3C-SiC με καλύτερη κρυσταλλική ποιότητα από τα σημερινά εμπορικά προϊόντα. Ένα τέτοιο βελτιωμένο υλικό θα πρέπει πρώτα να χαρακτηριστεί και να ελεγχθεί (από το επιφανειακό γυάλισμα έως την κατασκευή συσκευών) με στόχο την καινοτόμο υλοποίηση ή/και την βελτίωση των ηλεκτρονικών διατάξεων. |
||||||
Ένα τέτοιο περίπλοκο και αλληλοεξαρτώμενο ερευνητικό έργο είναι μία εξαιρετική ευκαιρία για την σύσταση ενός εκπαιδευτικού προγράμματος για νέους ερευνητές στο πεδίο της φυσικής στερεάς κατάστασης και της επιστήμης υλικών. Διδακτορικοί φοιτητές και νέοι ερευνητές θα εκπαιδευτούν σε διάφορα πεδία: από νέες τεχνικές ανάπτυξης, χαρακτηρισμού ημιαγώγιμων υλικών και κατασκευής ηλεκτρονικών συσκευών. Workshop και εκπαιδευτικά σχολεία θα διοργανωθούν ώστε να εφοδιάσουν τους νέους ερευνητές με το απαραίτητο γνωσιολογικό επιστημονικό υπόβαθρο και να τους δώσει την ευκαιρία να παρουσιάσουν το έργο και τα αποτελέσματά τους στην επιστημονική κοινότητα. |
||||||
