Генерация 3D-рисунков посредством химического осаждения из паровой фазы керамической эвтектической системы для нового твердого тела

26 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Иокогамского национального университета

Эвтектическая структура металлов и керамики возникает, когда несколько твердых фаз затвердевают из жидкой фазы, образуя трехмерный (3D) узор посредством явления самоорганизации. Традиционно считалось, что эвтектические структуры можно получить только в процессе затвердевания из расплава.

Исследователи из Национального университета Иокогамы (YNU) разработали процесс химического осаждения из паровой фазы (CVD), который позволяет газам-прекурсорам вступать в реакцию и генерировать твердотельные композиты с упорядоченными структурами в эвтектической системе YAG (алюмоиттриевый гранат)-глиноземная керамика.

В своем исследовании они наблюдали рост пространственно упорядоченных кристаллов YAG стержневой и пластинчатой ​​формы в матрице оксида алюминия на сапфировой пластине в условиях, богатых Al. И наоборот, в условиях, богатых Y, они наблюдали рост упорядоченных кристаллов оксида алюминия с матрицей YAG. Выбор затравочного кристалла сапфира и состава прекурсора определили трехмерные узоры. По сравнению с процессом затвердевания из расплава, процесс CVD расширил диапазон химических составов, которые могут создавать такие узоры.

Химически осажденные эвтектики ИАГ-оксид алюминия могут быть легированы дополнительными редкоземельными элементами, выступающими в качестве центров люминесценции. Например, ионы церия излучают желтый свет при облучении синими светодиодами, создавая белый свет для твердотельного освещения. Ионы европия излучают красный свет для рентгеновской радиографии при воздействии рентгеновских лучей, проходящих через полупроводниковое устройство. «Наши эксперименты демонстрируют потенциальное применение эвтектики, химически осажденной из ИАГ-оксида алюминия, в качестве экологически устойчивого светодиодного освещения и рентгеновской визуализации высокого разрешения», — говорит Юрий Мицухаши, ведущий автор исследования, проводивший эксперименты, будучи аспирантом YNU.

Оксид алюминия уже давно признан прочным огнеупорным керамическим материалом и обычно используется для изготовления конструкционных и оптических компонентов. Алюминаты, в том числе редкоземельные алюминиевые гранаты и перовскиты, широко изучаются в качестве функциональных керамических материалов, таких как лазеры, люминофоры и энергетические материалы.

«Среди алюминатов редкоземельные алюминиевые гранаты и перовскиты обладают привлекательными свойствами и, к счастью, имеют эвтектические системы с оксидом алюминия», — говорит Сёген Мацумото, который во время своей докторской диссертации создал систему рентгеновской визуализации, созданную в лаборатории. в ЯНУ. Он сказал: «Мы можем синтезировать новый кристалл, который сочетает в себе преимущества оксида алюминия и алюмината».

Это открытие подчеркивает, что создание трехмерных рисунков в керамических эвтектических композитах может происходить не только в процессе затвердевания из расплава, но и в процессе осаждения из паровой фазы. «CVD готова создавать керамические эвтектические композиты в качестве функциональных или защитных слоев поверх материалов подложки», — говорит Акихико Ито, доцент YNU и главный исследователь.

«Напротив, процесс затвердевания расплава, который требует заливки высокотемпературного расплава, превышающего 2000 градусов по Цельсию, для формирования керамических композитных покрытий на подложках, непрактичен. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на выяснении механизма химического осаждения эвтектики», — сказал Ито.

Результаты опубликованы в Журнале Американского керамического общества.

Больше информации: Юрий Мицухаши и др., Химическое осаждение из паровой фазы упорядоченных структур в эвтектической системе ИАГ-оксид алюминия, Журнал Американского керамического общества (2023). DOI: 10.1111/jace.19176