टैंटलम कार्बाइड सिरेमिक - सेमीकंडक्टर और एयरोस्पेस में एक प्रमुख सामग्री।

टैंटलम कार्बाइड (TaC)एक अति उच्च तापमान वाली सिरेमिक सामग्री है। अल्ट्रा-उच्च तापमान सिरेमिक (यूएचटीसी) आमतौर पर 3000 ℃ से अधिक पिघलने बिंदु वाले सिरेमिक सामग्रियों को संदर्भित करता है और 2000 ℃ से ऊपर उच्च तापमान और संक्षारक वातावरण (जैसे ऑक्सीजन परमाणु वातावरण) में उपयोग किया जाता है, जैसे कि ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2 और HfN।

टैंटलम कार्बाइड का गलनांक 3880℃ तक, उच्च कठोरता (Mohs कठोरता 9-10), अपेक्षाकृत उच्च तापीय चालकता (22 W·m⁻¹·K⁻¹), उच्च लचीली शक्ति (340-400 MPa), और थर्मल विस्तार का अपेक्षाकृत कम गुणांक (6.6 × 10⁻⁶ K⁻¹) होता है। यह उत्कृष्ट थर्मोकेमिकल स्थिरता और बेहतर भौतिक गुणों को भी प्रदर्शित करता है, और इसमें ग्रेफाइट और सी/सी कंपोजिट के साथ अच्छी रासायनिक और यांत्रिक अनुकूलता है। इसलिए, TaC कोटिंग्स का व्यापक रूप से एयरोस्पेस थर्मल प्रोटेक्शन, सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ, ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक्स और चिकित्सा उपकरणों में उपयोग किया जाता है।

अर्धचालक उपकरण में अनुप्रयोग

वर्तमान में, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) द्वारा प्रस्तुत वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर, एक रणनीतिक उद्योग है जो मुख्य आर्थिक युद्धक्षेत्र की सेवा करता है और प्रमुख राष्ट्रीय जरूरतों को संबोधित करता है। हालाँकि, SiC सेमीकंडक्टर भी जटिल प्रक्रियाओं और अत्यधिक उच्च उपकरण आवश्यकताओं वाला एक उद्योग है। इन प्रक्रियाओं में, SiC एकल-क्रिस्टल तैयारी संपूर्ण औद्योगिक श्रृंखला में सबसे मौलिक और महत्वपूर्ण कड़ी है।

वर्तमान में, SiC क्रिस्टल वृद्धि के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि भौतिक वाष्प परिवहन (PVT) विधि है। पीवीटी में, सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर को इंडक्शन हीटिंग के माध्यम से 2300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान और निकट-वैक्यूम दबाव पर एक सीलबंद विकास कक्ष में गर्म किया जाता है। इससे पाउडर उर्ध्वपातित हो जाता है, जिससे एक प्रतिक्रियाशील गैस उत्पन्न होती है जिसमें Si, Si₂C और SiC₂ जैसे विभिन्न गैसीय घटक होते हैं। यह गैस-ठोस प्रतिक्रिया एक SiC एकल-क्रिस्टल प्रतिक्रिया स्रोत उत्पन्न करती है। एक SiC बीज क्रिस्टल को विकास कक्ष के शीर्ष पर रखा गया है। गैसीय घटकों के सुपरसैचुरेशन से प्रेरित होकर, बीज क्रिस्टल में ले जाए गए गैसीय घटक परमाणु रूप से बीज क्रिस्टल की सतह पर जमा हो जाते हैं, जो एक SiC एकल क्रिस्टल में विकसित होते हैं।

इस प्रक्रिया में एक लंबा विकास चक्र होता है, इसे नियंत्रित करना मुश्किल होता है, और इसमें सूक्ष्मनलिकाएं और समावेशन जैसे दोष होने का खतरा होता है। दोषों को नियंत्रित करना महत्वपूर्ण है; भट्टी के तापीय क्षेत्र में मामूली समायोजन या बदलाव भी क्रिस्टल की वृद्धि को बदल सकते हैं या दोषों को बढ़ा सकते हैं। बाद के चरण तेज़, मोटे और बड़े क्रिस्टल प्राप्त करने की चुनौती पेश करते हैं, जिसके लिए न केवल सैद्धांतिक और इंजीनियरिंग प्रगति की आवश्यकता होती है, बल्कि अधिक परिष्कृत तापीय क्षेत्र सामग्री की भी आवश्यकता होती है।

तापीय क्षेत्र में क्रूसिबल सामग्री में मुख्य रूप से ग्रेफाइट और झरझरा ग्रेफाइट शामिल हैं। हालाँकि, ग्रेफाइट उच्च तापमान पर आसानी से ऑक्सीकृत हो जाता है और पिघली हुई धातुओं द्वारा संक्षारित हो जाता है। TaC में उत्कृष्ट थर्मोकेमिकल स्थिरता और बेहतर भौतिक गुण हैं, जो ग्रेफाइट के साथ अच्छी रासायनिक और यांत्रिक अनुकूलता प्रदर्शित करता है। ग्रेफाइट सतह पर TaC कोटिंग तैयार करने से इसके ऑक्सीकरण प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध, पहनने के प्रतिरोध और यांत्रिक गुणों में प्रभावी ढंग से वृद्धि होती है। यह एमओसीवीडी उपकरण में GaN या AlN सिंगल क्रिस्टल और पीवीटी उपकरण में SiC सिंगल क्रिस्टल उगाने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है, जिससे विकसित सिंगल क्रिस्टल की गुणवत्ता में काफी सुधार होता है।

इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल की तैयारी के दौरान, ठोस-गैस प्रतिक्रिया के माध्यम से सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल प्रतिक्रिया स्रोत उत्पन्न होने के बाद, Si/C स्टोइकोमेट्रिक अनुपात थर्मल क्षेत्र वितरण के साथ बदलता रहता है। यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि गैस चरण घटकों को डिज़ाइन किए गए थर्मल क्षेत्र और तापमान ढाल के अनुसार वितरित और परिवहन किया जाता है। झरझरा ग्रेफाइट में अपर्याप्त पारगम्यता होती है, इसे बढ़ाने के लिए अतिरिक्त छिद्रों की आवश्यकता होती है। हालाँकि, उच्च पारगम्यता वाले झरझरा ग्रेफाइट को प्रसंस्करण, पाउडर शेडिंग और नक़्क़ाशी जैसी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। झरझरा टैंटलम कार्बाइड सिरेमिक गैस चरण घटक निस्पंदन को बेहतर ढंग से प्राप्त कर सकता है, स्थानीय तापमान प्रवणता को समायोजित कर सकता है, सामग्री प्रवाह दिशा का मार्गदर्शन कर सकता है और रिसाव को नियंत्रित कर सकता है।

क्योंकिTaC कोटिंग्ससिलिकॉन कार्बाइड सेमीकंडक्टर उद्योग श्रृंखला में H2, HCl और NH3 के लिए उत्कृष्ट एसिड और क्षार प्रतिरोध प्रदर्शित करता है, TaC ग्रेफाइट मैट्रिक्स सामग्री की पूरी तरह से रक्षा कर सकता है और MOCVD जैसी एपिटैक्सियल प्रक्रियाओं के दौरान विकास के वातावरण को शुद्ध कर सकता है।

एयरोस्पेस में अनुप्रयोग

जैसे-जैसे आधुनिक विमान, जैसे कि एयरोस्पेस वाहन, रॉकेट और मिसाइलें, उच्च गति, उच्च जोर और उच्च ऊंचाई की ओर विकसित होते हैं, अत्यधिक परिस्थितियों में उनकी सतह सामग्री के उच्च तापमान प्रतिरोध और ऑक्सीकरण प्रतिरोध की आवश्यकताएं तेजी से कठोर होती जा रही हैं। जब कोई विमान वायुमंडल में प्रवेश करता है, तो उसे उच्च ताप प्रवाह घनत्व, उच्च ठहराव दबाव और उच्च वायु प्रवाह दस्त गति जैसे चरम वातावरण का सामना करना पड़ता है, जबकि ऑक्सीजन, जल वाष्प और कार्बन डाइऑक्साइड के साथ प्रतिक्रियाओं के कारण रासायनिक पृथक्करण का भी सामना करना पड़ता है। किसी विमान के वायुमंडल में प्रवेश और निकास के दौरान, उसके नाक शंकु और पंखों के आसपास की हवा तीव्र संपीड़न के अधीन होती है, जिससे विमान की सतह के साथ महत्वपूर्ण घर्षण पैदा होता है, जिससे यह वायु प्रवाह द्वारा गर्म हो जाता है। उड़ान के दौरान वायुगतिकीय तापन के अलावा, विमान की सतह सौर विकिरण और पर्यावरणीय विकिरण से भी प्रभावित होती है, जिससे सतह का तापमान लगातार बढ़ता रहता है। यह परिवर्तन विमान के सेवा जीवन को गंभीर रूप से प्रभावित कर सकता है।

TaC अति-उच्च तापमान प्रतिरोधी सिरेमिक परिवार का सदस्य है। इसका उच्च गलनांक और उत्कृष्ट थर्मोडायनामिक स्थिरता TaC को विमान के गर्म-अंत भागों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जैसे कि रॉकेट इंजन नोजल की सतह कोटिंग की रक्षा करना।

अन्य अनुप्रयोग

TaC के पास काटने के उपकरण, अपघर्षक सामग्री, इलेक्ट्रॉनिक सामग्री और उत्प्रेरक में भी व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। उदाहरण के लिए, सीमेंटेड कार्बाइड में TaC मिलाने से अनाज की वृद्धि बाधित हो सकती है, कठोरता बढ़ सकती है और सेवा जीवन में सुधार हो सकता है। TaC में अच्छी विद्युत चालकता होती है और यह गैर-स्टोइकोमेट्रिक यौगिक बना सकता है, जिसकी चालकता संरचना के आधार पर भिन्न होती है। यह विशेषता TaC को इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों में अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाती है। TaC के उत्प्रेरक डिहाइड्रोजनेशन के संबंध में, TiC और TaC के उत्प्रेरक प्रदर्शन पर अध्ययन से पता चला है कि TaC कम तापमान पर वस्तुतः कोई उत्प्रेरक गतिविधि प्रदर्शित नहीं करता है, लेकिन इसकी उत्प्रेरक गतिविधि 1000 ℃ से ऊपर काफी बढ़ जाती है। CO के उत्प्रेरक प्रदर्शन पर शोध से पता चला है कि 300℃ पर, TaC के उत्प्रेरक उत्पादों में मीथेन, पानी और थोड़ी मात्रा में ओलेफिन शामिल हैं।

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