Vì bột SiC đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của tinh thể đơn nên trong những năm gần đây, việc điều chế bột SiC có độ tinh khiết cao đã dần trở thành điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực phát triển tinh thể đơn SiC.
Chủ yếu có ba phương pháp tổng hợp bột SiC: thứ nhất là phương pháp pha rắn, chủ yếu bao gồm phương pháp khử cacbon nhiệt, phương pháp hợp kim cơ học và phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao-tự truyền; thứ hai là phương pháp pha lỏng, tiêu biểu nhất là phương pháp sol-gel và phương pháp nhiệt phân polyme; và phương pháp thứ ba là phương pháp pha khí, điển hình nhất là phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) và phương pháp plasma.
Phương pháp pha rắn{0}}
Phương pháp khử cacbon nhiệt
Phương pháp khử nhiệt cacbon thường sử dụng bột silica làm nguồn silicon và than đen và than cốc làm nguồn cacbon. Nguồn carbon và nguồn silicon được trộn đều theo một tỷ lệ nhất định, sau đó được nung nóng, và sau khi giữ ở nhiệt độ nhất định trong một khoảng thời gian, bột cacbua silic sẽ được hình thành. Do quy trình đơn giản và chi phí nguyên liệu thấp nên hiện nay đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất cacbua silic công nghiệp.
Hiện nay, việc điều chế bột SiC bằng phương pháp khử cacbon nhiệt truyền thống vẫn gặp phải các vấn đề như độ tinh khiết của bột thấp, hàm lượng tạp chất cao, tiêu thụ năng lượng cao và độ mịn của bột không đủ. Tuy nhiên, phương pháp này có những ưu điểm như nguyên liệu thô rẻ, vận hành đơn giản và công nghệ hoàn thiện nên vẫn duy trì vị trí thống lĩnh trong việc điều chế cacbua silic chất lượng thấp.
Phương pháp hợp kim cơ học
Việc điều chế bột cacbua silic bằng hợp kim hóa cơ học thường sử dụng năng lượng được tạo ra từ quá trình nghiền bi năng lượng cao- nhằm thúc đẩy sự va chạm và khuếch tán lẫn nhau giữa các chất phản ứng và tạo thành sản phẩm mong muốn. Trong quá trình nghiền bi, dưới tác động và lực nén cục bộ cực cao được tạo ra bởi-tốc độ quay cao của các quả bóng nghiền năng lượng-cao, các bề mặt mới lộ ra của các hạt sẽ kết hợp với nhau. Quá trình nghiền bi năng lượng cao-làm cho các hạt tạo ra nhiều khuyết tật. Được thúc đẩy bởi năng lượng tự do, các nguyên tử giữa các bề mặt hạt khuếch tán vào nhau, từ đó hình thành một pha mới.
Phương pháp hợp kim cơ học có những ưu điểm như công nghệ sản xuất đơn giản, chi phí thấp và khả năng sản xuất hàng loạt bột cacbua silic. Tuy nhiên, do quá trình tổng hợp bột SiC bằng hợp kim cơ học đạt được thông qua chuyển động va chạm ngẫu nhiên, nên các hạt sản phẩm thường có phân bố kích thước hạt rộng và vẫn cần công nghệ phân loại để sàng lọc vật liệu. Đồng thời, trong quá trình nghiền bi, các tạp chất từ vật liệu nghiền và cối xay rất dễ dàng được đưa vào và do bột nguyên liệu thô thường phản ứng qua các phản ứng bề mặt-với-bề mặt nên phản ứng không hoàn toàn có thể xảy ra. Tóm lại, hợp kim hóa cơ học không phải là phương pháp lý tưởng để tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao.
Phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao-tự truyền-
Phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao-tự lan truyền-thuộc về phương pháp tổng hợp pha rắn-. Trong phương pháp này, trong điều kiện có nguồn nhiệt bên ngoài, các chất kích hoạt được thêm vào để phản ứng hóa học của các chất phản ứng diễn ra một cách tự phát và liên tục. Tuy nhiên, việc bổ sung các chất kích hoạt chắc chắn sẽ tạo ra các tạp chất khác. Để đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm, các nhà nghiên cứu lựa chọn tăng nhiệt độ phản ứng và tiếp tục đun nóng để duy trì phản ứng. Phương pháp này được gọi là phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao-tự lan truyền-cải tiến.
Phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ cao-tự lan truyền{1}}được cải tiến có quy trình chuẩn bị đơn giản và hiệu suất tổng hợp cao, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất bột SiC có độ tinh khiết cao. Phương pháp này sử dụng nguồn Si rắn và nguồn C làm nguyên liệu thô, khiến chúng phản ứng liên tục ở nhiệt độ cao 1400-2000 độ C và cuối cùng thu được bột SiC có độ tinh khiết-cao. Hiện nay, trọng tâm nghiên cứu của phương pháp tổng hợp tự lan truyền cải tiến để điều chế bột SiC là làm thế nào để giảm hàm lượng nguyên tố N trong bột SiC.
Phương pháp pha lỏng{0}}
Phương pháp Sol{0}}gel
Hiện tại, trong số các phương pháp pha lỏng, chỉ có phương pháp sol{1}}gel mới có thể tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao. Quá trình chuẩn bị của nó là hòa tan muối vô cơ hoặc alkoxit trong dung môi (nước hoặc rượu) để tạo thành dung dịch đồng nhất, thu được sol đồng nhất, sau đó được chuyển thành gel thông qua sấy khô hoặc khử nước, sau đó được xử lý nhiệt để thu được bột siêu mịn cần thiết.
Bột cacbua silic được tổng hợp bằng phương pháp sol{0}}gel lần đầu tiên được sử dụng để thiêu kết gốm sứ cacbua silic. Với sự cải tiến liên tục của quy trình, độ tinh khiết của bột tổng hợp cũng tiếp tục tăng. Hiện tại, bột SiC được điều chế bằng phương pháp sol-gel đã có thể được sử dụng để phát triển đơn tinh thể. Phương pháp sol-gel có thể điều chế bột SiC siêu mịn, có độ tinh khiết cao, nhưng chi phí chuẩn bị tương đối cao và quy trình tổng hợp phức tạp nên không phù hợp cho sản xuất công nghiệp.
Phương pháp nhiệt phân polymer
Phương pháp nhiệt phân polyme chủ yếu tạo ra bột SiC bằng cách phân hủy các polyme hữu cơ ở nhiệt độ cao. Phương pháp tổng hợp này chủ yếu được chia thành hai loại: một là đun nóng tiền chất để trải qua phản ứng phân hủy và giải phóng các monome nhỏ, tạo thành SiO2 và C, sau đó điều chế bột SiC thông qua phản ứng khử cacbon nhiệt; cách còn lại là đun nóng tiền chất để giải phóng khung Si{2}}C monome, cuối cùng tạo thành bột SiC. Có nhiều nghiên cứu liên quan về phương pháp nhiệt phân polymer vào những năm 1990, nhưng trong những năm gần đây, rất ít nhà nghiên cứu có liên quan đề cập đến nó, chủ yếu là do tỷ lệ chuyển đổi sản phẩm thấp, chi phí nguyên liệu thô rất cao và ô nhiễm tương đối lớn.
Phương pháp pha khí-
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Phương pháp CVD thu được bột Si siêu mịn,{0}}có độ tinh khiết cao thông qua phản ứng ở nhiệt độ-cao của khí. Nguồn Si thường được chọn từ SiH4 và SiCl4, v.v., và nguồn C thường được chọn từ CH4, C2H2 và CCl4, v.v., trong khi các loại khí như (CH3)2SiCl2 và Si(CH3)4 có thể cung cấp cả nguồn Si và nguồn C cùng một lúc. Độ tinh khiết của các khí này là trên 99,9999%.
Hiện nay, phương pháp CVD chủ yếu sử dụng nguồn khí hữu cơ làm nguyên liệu. Phương pháp này yêu cầu kiểm soát chính xác tốc độ dòng nạp của thiết bị và có yêu cầu cực kỳ cao về độ tinh khiết của nguồn khí tổng hợp và các bộ phận than chì bên trong. Đồng thời, do có nhiều-sản phẩm phụ của phản ứng hóa học nên các khí độc hại và ăn mòn như clorua rất dễ được tạo ra, đặt ra yêu cầu cao đối với người vận hành và thiết bị, do đó chi phí sản xuất cũng vẫn ở mức cao. Ngoài ra, bột được tổng hợp bằng phương pháp này là bột siêu mịn có kích thước nano, không dễ thu gom. Ngoài ra, do những hạn chế của quá trình lắng đọng hơi hóa học, tốc độ tổng hợp tương đối chậm và hiện tại nó không thể đạt được-sản xuất quy mô lớn bột SiC có độ tinh khiết{6}}cao.
Phương pháp huyết tương
Phương pháp plasma là truyền khí phản ứng vào thùng chứa plasma được kích thích bằng nguồn năng lượng tần số vô tuyến. Các khí phản ứng với nhau khi va chạm với các electron-tốc độ cao, cuối cùng thu được bột SiC có độ tinh khiết-cao. Các nguồn khí được sử dụng trong phương pháp plasma cũng giống như các nguồn khí trong phương pháp CVD và độ tinh khiết của khí cũng cao hơn 99,9999%.
Phương pháp plasma có thể tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao{0}}và sự phân bố kích thước hạt bột đồng đều, không có vấn đề ô nhiễm. Tuy nhiên, kích thước hạt bột tổng hợp quá nhỏ để đáp ứng yêu cầu phát triển đơn tinh thể và cần phải xử lý thêm trước khi có thể sử dụng để phát triển tinh thể. Ngoài ra, thiết bị có tuổi thọ ngắn và giá thành cao.