উচ্চ-বিশুদ্ধতার সিলিকন কার্বাইড পাউডারের জন্য যুদ্ধ: কোন প্রক্রিয়াটি ব্যাপক উৎপাদনের মাধ্যমে ভেঙ্গে যেতে পারে?

যেহেতু SiC পাউডার একক ক্রিস্টাল বৃদ্ধিতে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, উচ্চ-বিশুদ্ধতার SiC পাউডারের প্রস্তুতি ধীরে ধীরে SiC একক স্ফটিক বৃদ্ধির ক্ষেত্রে একটি গবেষণার হটস্পট হয়ে উঠেছে।

SiC পাউডার সংশ্লেষণের জন্য প্রধানত তিনটি পদ্ধতি রয়েছে: প্রথমটি হল কঠিন-ফেজ পদ্ধতি, যার মধ্যে প্রধানত কার্বোথার্মাল হ্রাস পদ্ধতি, যান্ত্রিক খাদ পদ্ধতি এবং স্ব-উচ্চ-তাপমাত্রার সংশ্লেষণ পদ্ধতি অন্তর্ভুক্ত রয়েছে; দ্বিতীয়টি হল তরল-ফেজ পদ্ধতি, যার মধ্যে সবচেয়ে প্রতিনিধি হল সল-জেল পদ্ধতি এবং পলিমার পাইরোলাইসিস পদ্ধতি; এবং তৃতীয়টি হল গ্যাস-ফেজ পদ্ধতি, যার মধ্যে সবচেয়ে প্রতিনিধি রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD) এবং প্লাজমা পদ্ধতি।

কঠিন-ফেজ পদ্ধতি

কার্বোথার্মাল হ্রাস পদ্ধতি

কার্বোথার্মাল হ্রাস পদ্ধতিতে সাধারণত সিলিকন উৎস হিসেবে সিলিকা পাউডার এবং কার্বন উৎস হিসেবে কার্বন ব্ল্যাক এবং পেট্রোলিয়াম কোক ব্যবহার করা হয়। কার্বন উৎস এবং সিলিকন উৎস একটি নির্দিষ্ট অনুপাতে সমানভাবে মিশ্রিত হয় এবং তারপর উত্তপ্ত হয় এবং একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় নির্দিষ্ট সময়ের জন্য ধরে রাখার পর সিলিকন কার্বাইড পাউডার তৈরি হয়। এর সহজ প্রক্রিয়া এবং কম কাঁচামাল খরচের কারণে, এটি বর্তমানে সিলিকন কার্বাইডের শিল্প উত্পাদনের জন্য সর্বাধিক ব্যবহৃত পদ্ধতি।

বর্তমানে, ঐতিহ্যগত কার্বোথার্মাল হ্রাস পদ্ধতি দ্বারা SiC পাউডার তৈরি করা এখনও নিম্ন পাউডার বিশুদ্ধতা, উচ্চ অপরিষ্কার সামগ্রী, উচ্চ শক্তি খরচ, এবং পাউডারের অপর্যাপ্ত সূক্ষ্মতার মতো সমস্যায় ভুগছে। যাইহোক, এই পদ্ধতির সুবিধা রয়েছে যেমন সস্তা কাঁচামাল, সহজ অপারেশন, এবং পরিপক্ক প্রযুক্তি, তাই এটি এখনও নিম্নমানের সিলিকন কার্বাইড তৈরিতে একটি প্রভাবশালী অবস্থান বজায় রাখে।

মেকানিক্যাল অ্যালোয়িং পদ্ধতি

যান্ত্রিক ধাতু দ্বারা সিলিকন কার্বাইড পাউডার তৈরি সাধারণত উচ্চ-শক্তি বল মিলিং দ্বারা উত্পন্ন শক্তি ব্যবহার করে পারস্পরিক সংঘর্ষ এবং বিক্রিয়কগুলির মধ্যে প্রসারণ এবং পছন্দসই পণ্য তৈরি করতে। বল মিলিং প্রক্রিয়া চলাকালীন, উচ্চ-শক্তির মিলিং বলের উচ্চ গতির ঘূর্ণন- দ্বারা উত্পন্ন অত্যন্ত উচ্চ স্থানীয় প্রভাব এবং কম্প্রেশনের অধীনে, কণাগুলির নতুন উন্মুক্ত পৃষ্ঠগুলি একে অপরের সাথে একত্রিত হয়। উচ্চ-শক্তি বল মিলিং কণাগুলিকে প্রচুর পরিমাণে ত্রুটি তৈরি করে। মুক্ত শক্তি দ্বারা চালিত, কণা পৃষ্ঠের মধ্যে পরমাণু একে অপরের মধ্যে ছড়িয়ে পড়ে, যার ফলে একটি নতুন পর্যায় তৈরি হয়।

যান্ত্রিক অ্যালোয়িং পদ্ধতির সুবিধা রয়েছে যেমন সহজ উত্পাদন প্রযুক্তি, কম খরচ এবং সিলিকন কার্বাইড পাউডারের ব্যাপক উত্পাদন অর্জনের ক্ষমতা। যাইহোক, যেহেতু যান্ত্রিক অ্যালোয়িং দ্বারা SiC পাউডারের সংশ্লেষণ এলোমেলো সংঘর্ষের গতির মাধ্যমে অর্জন করা হয়, পণ্য কণাগুলির সাধারণত একটি বিস্তৃত কণা আকারের বন্টন থাকে এবং উপাদানটি স্ক্রীন করার জন্য এখনও শ্রেণীবিভাগ প্রযুক্তির প্রয়োজন হয়। একই সময়ে, বল মিলিং প্রক্রিয়া চলাকালীন, মিলিং মিডিয়া এবং মিলিং জার থেকে অমেধ্যগুলি খুব সহজে প্রবর্তিত হয়, এবং যেহেতু কাঁচামালের গুঁড়া সাধারণত পৃষ্ঠের মাধ্যমে প্রতিক্রিয়া করে-পৃষ্ঠের প্রতিক্রিয়ায়-, অসম্পূর্ণ প্রতিক্রিয়া ঘটতে পারে। সংক্ষেপে, উচ্চ-বিশুদ্ধতার SiC পাউডার সংশ্লেষণের জন্য যান্ত্রিক খাদ একটি আদর্শ পদ্ধতি নয়।

স্ব-উচ্চ প্রচার করা-তাপমাত্রা সংশ্লেষণ পদ্ধতি

স্ব-প্রচার উচ্চ-তাপমাত্রা সংশ্লেষণ পদ্ধতি কঠিন-ফেজ সংশ্লেষণ পদ্ধতির অন্তর্গত। এই পদ্ধতিতে, বাহ্যিক উত্তাপের উত্সের শর্তে, অ্যাক্টিভেটরগুলি যুক্ত করা হয় যাতে বিক্রিয়কগুলির রাসায়নিক বিক্রিয়া স্বতঃস্ফূর্তভাবে এবং অবিচ্ছিন্নভাবে এগিয়ে যায়। যাইহোক, অ্যাক্টিভেটর সংযোজন অনিবার্যভাবে অন্যান্য অমেধ্য প্রবর্তন করে। পণ্যের বিশুদ্ধতা নিশ্চিত করার জন্য, গবেষকরা প্রতিক্রিয়ার তাপমাত্রা বাড়ানো এবং প্রতিক্রিয়া বজায় রাখার জন্য গরম করা চালিয়ে যাওয়া বেছে নেন। এই পদ্ধতিকে বলা হয় উন্নত স্ব-প্রচারের উচ্চ-তাপমাত্রা সংশ্লেষণ পদ্ধতি।

উন্নত স্ব-উচ্চ প্রচারকারী-তাপমাত্রার সংশ্লেষণ পদ্ধতির একটি সহজ প্রস্তুতির প্রক্রিয়া এবং উচ্চ সংশ্লেষণ দক্ষতা রয়েছে এবং উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার উত্পাদন করতে শিল্পে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। এই পদ্ধতিটি কাঁচামাল হিসাবে কঠিন Si উত্স এবং C উত্সগুলি ব্যবহার করে, যার ফলে তারা 1400-2000 ডিগ্রি সেন্টিগ্রেডের উচ্চ তাপমাত্রায় ক্রমাগত প্রতিক্রিয়া দেখায় এবং অবশেষে উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার লাভ করে। বর্তমানে, SiC পাউডার প্রস্তুত করার জন্য উন্নত স্ব-প্রচারকারী সংশ্লেষণ পদ্ধতির গবেষণার ফোকাস হল কীভাবে SiC পাউডারে N উপাদানের সামগ্রী কমানো যায়।

তরল-ফেজ পদ্ধতি

সল-জেল পদ্ধতি

বর্তমানে, তরল-ফেজ পদ্ধতির মধ্যে, শুধুমাত্র সল-জেল পদ্ধতি উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার সংশ্লেষিত করতে পারে। এর প্রস্তুতির প্রক্রিয়া হল একটি দ্রাবক (জল বা অ্যালকোহল) মধ্যে অজৈব লবণ বা অ্যালকোক্সাইড দ্রবীভূত করে একটি অভিন্ন দ্রবণ তৈরি করা, একটি অভিন্ন সল পাওয়া, যা পরে শুকিয়ে বা ডিহাইড্রেশনের মাধ্যমে জেলে রূপান্তরিত হয় এবং তারপর প্রয়োজনীয় অতি সূক্ষ্ম পাউডার পাওয়ার জন্য তাপ চিকিত্সার শিকার হয়।

সল-জেল পদ্ধতি দ্বারা সংশ্লেষিত সিলিকন কার্বাইড পাউডার প্রথমে সিলিকন কার্বাইড সিরামিক সিন্টারিং করার জন্য ব্যবহার করা হয়েছিল। প্রক্রিয়াটির ক্রমাগত উন্নতির সাথে সাথে সংশ্লেষিত পাউডারের বিশুদ্ধতাও বাড়তে থাকে। বর্তমানে, সল-জেল পদ্ধতি দ্বারা প্রস্তুত SiC পাউডার ইতিমধ্যেই একক স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে। সল-জেল পদ্ধতি উচ্চ-বিশুদ্ধতা, অতি সূক্ষ্ম SiC পাউডার প্রস্তুত করতে পারে, কিন্তু প্রস্তুতির খরচ তুলনামূলকভাবে বেশি এবং সংশ্লেষণ প্রক্রিয়া জটিল, তাই এটি শিল্প উৎপাদনের জন্য উপযুক্ত নয়।

পলিমার পাইরোলাইসিস পদ্ধতি

পলিমার পাইরোলাইসিস পদ্ধতি প্রধানত উচ্চ তাপমাত্রায় জৈব পলিমার পচিয়ে SiC পাউডার তৈরি করে। এই সংশ্লেষণ পদ্ধতিটি প্রধানত দুটি বিভাগে বিভক্ত: একটি পচনশীল প্রতিক্রিয়ার মধ্য দিয়ে একটি অগ্রদূতকে গরম করে এবং ছোট মোনোমার ছেড়ে দেয়, SiO2 এবং C গঠন করে, এবং তারপর কার্বোথার্মাল হ্রাস প্রতিক্রিয়ার মাধ্যমে SiC পাউডার প্রস্তুত করে; অন্যটি একটি মনোমার সি-সি কঙ্কাল মুক্তির পূর্বসূরীকে উত্তপ্ত করছে, যা শেষ পর্যন্ত SiC পাউডার তৈরি করে। 1990-এর দশকে পলিমার পাইরোলাইসিস পদ্ধতির উপর অনেক সম্পর্কিত গবেষণা ছিল, কিন্তু সাম্প্রতিক বছরগুলিতে কিছু প্রাসঙ্গিক গবেষক এটি উল্লেখ করেছেন, প্রধানত এর কম পণ্য রূপান্তর হার, খুব উচ্চ কাঁচামাল খরচ এবং তুলনামূলকভাবে বড় দূষণের কারণে।

গ্যাস-ফেজ পদ্ধতি

রাসায়নিক বাষ্প জমা করার পদ্ধতি (CVD)

সিভিডি পদ্ধতি গ্যাসের উচ্চ-তাপমাত্রার প্রতিক্রিয়ার মাধ্যমে অতি সূক্ষ্ম, উচ্চ-বিশুদ্ধতা সি পাউডার পায়। Si উত্সটি সাধারণত SiH4 এবং SiCl4, ইত্যাদি থেকে নির্বাচন করা হয়, এবং C উত্সটি সাধারণত CH4, C2H2 এবং CCl4, ইত্যাদি থেকে নির্বাচন করা হয়, যখন গ্যাস যেমন (CH3)2SiCl2 এবং Si(CH3)4 একই সময়ে Si উত্স এবং C উত্স উভয়ই প্রদান করতে পারে৷ এই গ্যাসগুলির বিশুদ্ধতা 99.9999% এর উপরে।

বর্তমানে, সিভিডি পদ্ধতিতে বেশিরভাগই কাঁচামাল হিসাবে জৈব গ্যাসের উত্স ব্যবহার করা হয়। এই পদ্ধতির জন্য সরঞ্জামের গ্রহণের প্রবাহ হারের সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ প্রয়োজন এবং সংশ্লেষণ গ্যাস উত্স এবং অভ্যন্তরীণ গ্রাফাইট অংশগুলির বিশুদ্ধতার জন্য অত্যন্ত উচ্চ প্রয়োজনীয়তা রয়েছে। একই সময়ে, যেহেতু রাসায়নিক বিক্রিয়ার অনেকগুলি উপজাত রয়েছে, তাই ক্লোরাইডের মতো ক্ষয়কারী এবং বিষাক্ত গ্যাসগুলি খুব সহজে উৎপন্ন হয়, যা অপারেটর এবং সরঞ্জামগুলিতে উচ্চ চাহিদা রাখে এবং সেই কারণে উত্পাদন খরচও উচ্চ থাকে৷ উপরন্তু, এই পদ্ধতি দ্বারা সংশ্লেষিত পাউডার হল ন্যানোস্কেল আল্ট্রাফাইন পাউডার, যা সংগ্রহ করা সহজ নয়। এছাড়াও, রাসায়নিক বাষ্প জমার সীমাবদ্ধতার কারণে, সংশ্লেষণের হার তুলনামূলকভাবে ধীর, এবং বর্তমানে এটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডারের বড় আকারের উৎপাদন অর্জন করতে পারে না।

প্লাজমা পদ্ধতি

প্লাজমা পদ্ধতি হল একটি রেডিও-ফ্রিকোয়েন্সি পাওয়ার সোর্স দ্বারা উত্তেজিত একটি প্লাজমা পাত্রে প্রতিক্রিয়া গ্যাসগুলি প্রেরণ করা। উচ্চ-গতিসম্পন্ন ইলেকট্রনের সংঘর্ষে গ্যাসগুলি একে অপরের সাথে বিক্রিয়া করে, অবশেষে উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার পায়। প্লাজমা পদ্ধতিতে ব্যবহৃত গ্যাসের উত্সগুলি সিভিডি পদ্ধতির মতোই, এবং গ্যাসের বিশুদ্ধতাও 99.9999% এর উপরে।

প্লাজমা পদ্ধতি উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার সংশ্লেষিত করতে পারে, এবং পাউডার কণা আকারের বন্টন সমান, কোনো দূষণ সমস্যা ছাড়াই। যাইহোক, সংশ্লেষিত পাউডার কণার আকার একক স্ফটিক বৃদ্ধির প্রয়োজনীয়তা পূরণের জন্য খুব ছোট, এবং এটি স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য ব্যবহার করার আগে আরও প্রক্রিয়াকরণ প্রয়োজন। উপরন্তু, সরঞ্জাম একটি সংক্ষিপ্ত সেবা জীবন এবং উচ্চ খরচ আছে।