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Mansic para todos
  
Carboneto de Silicio
Carboneto de silício (SiC), também conhecido como carborundum ou moissanite (nome dado pelo pesquisador francês Dr. Henri MOISSAN que foi o primeiro pesquisador a sintetiza-o em 1905), é um composto sólido constituido de 50% de carbono e 50% silício. O SiC em seu estado natural pode ser encontrada somente em quantidades mínimas e em lugares geológicos específicos, tais como, em paredes diamantadas, em crateras vulcanêas abertas e até em alguns meteoritos. De fato, a quasi-totalidade do carboneto de silício vendido no mundo é de origem sintética.
Este material é ao mesmo tempo cerâmica e um semicondutor dotado de propriedades excepcionais. É muito duro (quase tão duro quanto ao diamante), quimicamente inerte e resistente às altas temperaturas (> 1000°C ), e resistente à oxidação e aos ambientes corrosivos. O SiC possui uma elevada condutividade térmica permitindo-lhe dissipar o calor tão eficazmente como um metal. Ele também é utilizado como abrasivo há mais de um século na indústria (é o produto principal da Carborundum company). No entanto, hoje em dia, suas aplicações diversificam-se como por exemplo: na industria aeroespacial (motores funcionando com altas temperaturas, discos de frenagem), materiais compósito, filtros de partículas e diversos elementos de aquecimento.

Suas propriedades ópticas muito semelhantes a aquelas do diamante permitiram que o SiC seja utilizado actualmente como jóias, sob o nome de Moissanite. No entanto, a principal aplicação dos cristais de carboneto de silício é no campo da electrónica. De fato, os componentes a base de SiC podem trabalhar a elevadas temperaturas, potências e frequências. O SiC também apresenta uma boa estabilidade em ambientes mais hostis em relação aos actuais materiais semicondutores utilizados como componentes electrónicos, como por exemplo silício, germânio, gálio, etc. Para aproveitar plenamente das excepcionais propriedades do carboneto de silício, é de fundamental importância saber controlar a qualidade do crescimento dos cristais de SiC.
Pedra preciosa a base
de cristal de Moissanite

Dr Henri MOISSAN
( 28 de Set 18 52 –
20 de Fev 19 07)

Publicidade de 1894 da sociedade Corborundum para o "novo abrasivo"
Crescimento dos cristais de SiC

Um cristal é um material sólido composto de um empilhamento regular e periódico de átomos. Quase todos os materiais sólidos (metais, ligas, cerâmicos, sais, plásticos …) podem existir sob a forma de cristais se as condições necessárias à boa organização dos átomos forem atingidas. Na maioria dos casos, é preciso fornecer energia (sob a forma de calor ou de pressão) aos átomos para que eles possam posicionar-se regularmente numa rede tridimensional. Os cristais encontrados na natureza criaram-se geralmente de maneira espontânea. No entanto, esse procedimento de crescimento tem o inconveniente de criar muitos defeitos (empilhamento imperfeito, inclusões de outros materiais...). Como a indústria electrónica precisa de cristais de muito boa qualidade para melhorar as performances dos componentes fabricados, os melhores cristais criados espontaneamente são em geral utilizados como “sementes ou germes” a fim de crescer e/ou melhorar a qualidade dos cristais. Para isso, uma técnica de crescimento por replicação, chamada epitaxy (do grego "epi = sobre" e "taxis = de maneira ordenada") é utilizada. Esta técnica necessita a utilização de espécies realtivas e de um semente.
Célula cristalina do diamante
Célula cristalina de um cristal de SiC

 
Corte de um empilhamento atómico a interface entre Si cristalizado e uma camada epitaxial de SiC
Esquema basico do crescimento epitaxial a partir de uma fase gasosa

É importante mencionar que a periodicidade de empilhamento dos átomos no cristal (a rede atómica tridimensional) depende muitas vezes das condições de cristalização. O exemplo mais conhecido é o carbono que em condições moderadas de temperaturas e de pressão pode criar a grafite (carvão) enquanto em condições mais extremas de temperaturas e pressão esta mesma grafite pode tornar-se em diamante. Esta capacidade que o mesmo material tem em apresentar diversas formas cristalinas é conhecida como polimorfismo.

O SiC apresenta um caso um pouco particular de polimorfismo: o politipismo. Neste caso, a mudança da sequência de empilhamento dos átomos intervem só numa direcção específica da rede tridimensional. Graças a esta propriedade específica que permite uma variação quase-infinita, para o SiC foram descobertos dez politipos.
No entanto, somente três destes politipos são comummente produzidos devido da sua estabilidade. Eles são chamados 6H-SiC, 4H-SiC, 3C-SiC (as letras H e C fazem referência à simetria do cristal, H para hexagonal e C para cúbico). A maioria das propriedades físicas desses três politipos são idênticas excepto para as propriedades electrónicas. Para os componentes electrónicos, cada politipo possui vantagens próprias. Por exemplo, o 4H é um melhor candidato para fortes potências (ex. na distribuição de corrente de alta tensão) e em elevadas temperaturas (ex. nos motores de carros ou de aviões) enquanto que o 3C é mais adaptado às aplicações no campo das altas frequências (ex. radares).
Diferenças de empilhamento atómico entre os principais politipos de SiC

Devido a elevada estabilidade do SiC, a energia fornecida ao material para permitir o crescimento cristalino é muito importante. Por consequência, as técnicas comummente utilizadas para tais crescimentos requerem temperaturas superiores a 2200°C , o que torna o controlo do procedimento muito difícil. Além disso, estas condições só permitem a cristalização dos politipos hexagonais (6H e 4H), o 3C sendo estável para temperaturas inferiores a 2000°C , no qual a energia dada aos átomos não é suficiente para permitir um crescimento cristalino de boa qualidade.

É por este motivo que hoje em dia não existe no comércio cristais de SiC- 3C com qualidade suficiente para aplicações no campo electrónico,  enquanto que cristais de 4H e de 6H de  muito boa qualidade podem ser comprados em diferentes empresas.

 
Cresciemento da fase cúbica do SiC (3C-SiC)
Dois importantes pontos devem ser resolvidos para permitir a elaboração de cristais de SiC- 3C utilizáveis para aplicações no campo da electrónica:

1) encontrar um substrato adequado para a epitaxia do 3C (pois não existe cristais de 3C de boa qualidade)
2) desenvolver novas técnicas de crescimento capazes de favorecer uma boa qualidade cristalina para o 3C (fraca densidade de defeitos) mesmo a baixa temperatura (a fim de estabilizar o politipo cúbico).
Em relação ao substrato, silício cristalino tem sido muito estudado para a epitaxia do SiC mas a fase cúbico obtida é sempre de má qualidade. Em condições especificas os politipos 6H e 4H podem também ser utilizados como substrato para a epitaxia do politipo 3C mas as camadas obtidas contêm frequentemente uma grande densidade de defeitos. Recentemente, as novas técnicas de crescimento, visando especificamente a obtenção do 3C , foram desenvolvidas na Europa. Eles tem demonstrados promissores e complementares resultados para camadas de 3C com boa qualidade (espessura de alguns µm, 10- 6 m ) sobre substratos de 6H (ou 4H), uma outra técnica permite o crescimento de camadas SiC- 3C muito espessas (de várias centenas de µm) conservando ao mesmo tempo a qualidade do germe cúbico utilizado.
Ao nível internacional, não existe verdadeiros concorrentes utilizando técnicas semelhantes, o que significa que a Europa está a frente no que diz respeito a este assunto.
Camada de 3C tendo uma grande densidade de defeitos (substrato 6H)
Camada de 3C de muito boa qualidade (substrato de 6H)
Objectives MANSiC

O consórcio MANSiC reune as equipes europeias que estão desenvolvendo novas técnicas de crescimento e também outros laboratórios europeus internacionalmente reconhecidos no campo das aplicações electrónicas do SiC. Esse esforço comum permite o desenvolvimento de uma linha comercial europeia alternativa para o crescimento de cristais de 3C-SiC de uma qualidade cristalina superior ao que é disponível actualmente. Para tal melhoramento, o  material, deverá inicialmente ser caracterizado e testado (desde a polimento da superfície até a realização de componentes) tendo em vista a fabricação de componentes electrónicos inovadores e/ou de melhor qualidade do que aqueles produzidos actualmente.

Um projecto de pesquisa tão complexo e estruturado é uma excelente base para capacitar novos pesquisadores no campo da física do estado sólido e das ciências dos materiais. Ao longo deste projecto, doutorandos e pós-doutores serão formados em domínios diversos, variado como: as novas técnicas de crescimento cristalino, caracterização de materiais semicondutores ou a realização de componentes electrónicos. Palestras e também escolas temáticas serão organizadas para permitir que os jovens pesquisadores adquiram a bagagem científica necessária à boa conduta de seus trabalhos e apresentam seus resultados à comunidade científica.
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