Model atomic pentru creșterea cristalelor de carbură de siliciu
Cercetătorii au perfecționat un model la scară atomică al modului în care carbura de siliciu trece din stare solidă în vapori în timpul creșterii cristalelor. Rezultatele ar putea ajuta producătorii să obțină materiale de calitate superioară pentru electronica avansată și să reducă experimentele costisitoare prin încercări repetate. Studiul reprezintă prima publicație a Alianței pentru Inovare în Carbura de Siliciu, un parteneriat de cercetare între industrie și mediul academic.
Carbura de siliciu este un material cristalin utilizat în electronica de putere, inclusiv în vehiculele electrice și în sistemele pentru energie curată. Spre deosebire de alți cristali, care pot fi obținuți prin topire și solidificare, carbura de siliciu este crescută prin transport fizic în vapori: materialul solid este încălzit până când se transformă direct în vapori, care se depun apoi pe un cristal-semănță.
Procesul ascuns din interiorul cuptorului
Deoarece procesul are loc la temperaturi extreme, în interiorul unui cuptor închis, cercetătorii nu pot observa cu ușurință fazele incipiente ale sublimării și nici nu pot determina ce molecule sunt prezente în vapori. Pentru a investiga acest proces, echipa a perfecționat metoda computațională ReaxFF, care calculează interacțiunile dintre atomi și poate simula reacții chimice, urmărind ruperea și formarea legăturilor chimice.
Modelul anterior fusese adaptat în principal pentru studiul oxidării carburii de siliciu, însă sublimarea implică mecanisme chimice diferite. De aceea, cercetătorii au recalibrat metoda folosind un set amplu de calcule de mecanică cuantică.
Compoziția vaporilor variază cu temperatura
Modelul perfecționat le-a permis cercetătorilor să urmărească moleculele care conțin siliciu și carbon și care se formează pe măsură ce carbura de siliciu se încălzește. Rezultatele au fost în bună concordanță cu calculele cuantice detaliate, iar experimentele de laborator au susținut predicția că materialul solid rămas devine tot mai bogat în carbon.
Simulările au arătat de asemenea că amestecul de siliciu și carbon care ajunge la cristalul-semănță se modifică odată cu creșterea temperaturii, ceea ce poate influența calitatea creșterii cristalului. La temperaturi mai scăzute, speciile bogate în siliciu părăsesc preferențial materialul sursă, din cauza barierelor de activare mai reduse pentru evaporare. Vaporii prea bogați în siliciu pot favoriza picături de siliciu sau defecte mari, în timp ce excesul de carbon poate duce la grafitizare sau la o structură cristalină nedorită.
De la reacțiile atomice la proiectarea cuptoarelor
Echipa a calculat și vitezele reacțiilor cheie de sublimare în funcție de temperatură, date ce pot fi integrate în viitoare modele de simulare a dinamicii fluidelor la scară de cuptor. Aceste modele reproduc transferul de căldură, curgerea gazelor și gradienții de temperatură, dar au nevoie de informații chimice precise despre vapori. Combinarea datelor la scară atomică cu simulările la scară de cuptor ar putea permite experimente virtuale de creștere mai realiste și optimizarea geometriei cuptoarelor și a rețetelor termice.
Un studiu complementar, publicat în Journal of Crystal Growth și condus de cercetători de la Morgan Advanced Materials, a dezvoltat un model termodinamic al compoziției vaporilor de echilibru deasupra unei surse de carbură de siliciu în condiții de creștere prin transport fizic în vapori. Împreună, cele două studii analizează sublimarea de la comportamentul atomilor individuali până la mediul general de vapori din creșterea cristalelor.
Carbura de siliciu face parte din categoria semiconductorilor cu bandă interzisă largă, care pot funcționa la tensiuni și temperaturi mai mari decât siliciul convențional și sunt importanți pentru electronica de putere avansată.
