Generazione di modelli 3D tramite deposizione chimica da vapore di un sistema eutettico ceramico per un nuovo solido

26 giugno 2023

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dall'Università Nazionale di Yokohama

La struttura eutettica di metalli e ceramiche si verifica quando più fasi solide si solidificano da una fase liquida, formando uno schema tridimensionale (3D) attraverso un fenomeno di auto-organizzazione. Tradizionalmente si credeva che le strutture eutettiche potessero essere ottenute solo attraverso un processo di solidificazione del fuso.

I ricercatori della Yokohama National University (YNU) hanno sviluppato un processo di deposizione chimica in fase vapore (CVD) che consente ai gas precursori di reagire e generare compositi allo stato solido con strutture ordinate in un sistema eutettico ceramico YAG (granato di ittrio-allumina)-allumina.

Nel loro studio, hanno osservato la crescita di cristalli YAG a forma di bastoncino e lamellare ordinati spazialmente all'interno di una matrice di allumina su un wafer di zaffiro in condizioni ricche di Al. Al contrario, in condizioni ricche di Y, hanno osservato la crescita di cristalli di allumina ordinati con una matrice YAG. La scelta del cristallo seme di zaffiro e la composizione del precursore hanno determinato i modelli 3D. Rispetto al processo di solidificazione della fusione, il processo CVD ha ampliato la gamma di composizioni chimiche che potrebbero generare tali modelli.

Gli eutettici YAG-allumina depositati chimicamente possono essere drogati con ulteriori elementi delle terre rare, che fungono da centri luminescenti. Ad esempio, gli ioni di cerio emettono luce gialla quando irradiati con LED blu, producendo luce bianca per l’illuminazione a stato solido. Gli ioni europio emettono luce rossa per la radiografia a raggi X quando esposti ai raggi X che passano attraverso un dispositivo a semiconduttore. "I nostri esperimenti dimostrano potenziali applicazioni degli eutettici depositati chimicamente con allumina YAG come illuminazione a LED resistente all'ambiente e imaging a raggi X ad alta risoluzione", afferma Yuri Mitsuhashi, autore principale dello studio, che ha condotto gli esperimenti mentre era studente laureato alla YNU.

L'allumina è da tempo riconosciuta come un robusto materiale ceramico refrattario ed è comunemente utilizzata per componenti strutturali e ottici. Gli alluminati, compresi i granati di alluminio delle terre rare e le perovskiti, sono stati ampiamente studiati come materiali ceramici funzionali, come laser, fosfori e materiali energetici.

"Tra gli alluminati, i granati di alluminio delle terre rare e le perovskiti hanno proprietà interessanti e fortunatamente hanno sistemi eutettici con l'allumina", afferma Shogen Matsumoto, che ha costruito un sistema di imaging a raggi X realizzato in laboratorio durante il suo dottorato di ricerca. presso YNU. Ha detto: "Possiamo sintetizzare un nuovo cristallo che combina i vantaggi dell'allumina e dell'alluminato".

Questa scoperta evidenzia che la generazione di modelli 3D nei compositi eutettici ceramici può avvenire non solo attraverso il processo di solidificazione della fusione ma anche attraverso il processo di deposizione di vapore. "CVD è pronto a realizzare compositi eutettici ceramici come strati funzionali o protettivi su materiali di substrato", afferma Akihiko Ito, professore associato alla YNU e ricercatore principale.

"Al contrario, il processo di solidificazione della fusione, che richiede il versamento di una massa fusa ad alta temperatura superiore a 2.000 gradi Celsius per formare rivestimenti compositi ceramici sui substrati, è poco pratico. Ulteriori ricerche si concentreranno sulla spiegazione del meccanismo alla base degli eutettici depositati chimicamente", ha affermato Ito.

I risultati sono pubblicati sul Journal of American Ceramic Society.

Maggiori informazioni: Yuri Mitsuhashi et al, Deposizione chimica da fase vapore di strutture ordinate nel sistema eutettico YAG-allumina, Journal of the American Ceramic Society (2023). DOI: 10.1111/jace.19176