Generación de patrones 3D mediante deposición química de vapor de un sistema eutéctico cerámico para un sólido novedoso

26 de junio de 2023

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por la Universidad Nacional de Yokohama

La estructura eutéctica de metales y cerámicas se produce cuando múltiples fases sólidas se solidifican a partir de una fase líquida, formando un patrón tridimensional (3D) a través de un fenómeno de autoorganización. Tradicionalmente, se creía que las estructuras eutécticas sólo podían obtenerse mediante un proceso de solidificación por fusión.

Investigadores de la Universidad Nacional de Yokohama (YNU) han desarrollado un proceso de deposición química de vapor (CVD) que permite que los gases precursores reaccionen y generen compuestos de estado sólido con estructuras ordenadas en un sistema eutéctico cerámico de alúmina-YAG (granate de itrio y alúmina).

En su estudio, observaron el crecimiento de cristales de YAG en forma de varillas y laminares ordenados espacialmente dentro de una matriz de alúmina sobre una oblea de zafiro en condiciones ricas en Al. Por el contrario, en condiciones ricas en Y, observaron el crecimiento de cristales de alúmina ordenados con una matriz YAG. La elección del cristal semilla de zafiro y la composición del precursor determinaron los patrones 3D. En comparación con el proceso de solidificación por fusión, el proceso CVD amplió la gama de composiciones químicas que podrían generar tales patrones.

Los eutécticos depositados químicamente de alúmina-YAG se pueden dopar con elementos de tierras raras adicionales, que sirven como centros luminiscentes. Por ejemplo, los iones de cerio emiten luz amarilla cuando se irradian con LED azules, lo que produce luz blanca para iluminación de estado sólido. Los iones de europio emiten luz roja para la radiografía de rayos X cuando se exponen a los rayos X que pasan a través de un dispositivo semiconductor. "Nuestros experimentos demuestran aplicaciones potenciales de eutécticos depositados químicamente de alúmina YAG como iluminación LED resistente al medio ambiente e imágenes de rayos X de alta resolución", dice Yuri Mitsuhashi, autor principal del estudio, quien realizó los experimentos mientras era estudiante de posgrado en YNU.

La alúmina ha sido reconocida durante mucho tiempo como un material cerámico refractario robusto y se usa comúnmente para componentes estructurales y ópticos. Los aluminatos, incluidos los granates y perovskitas de aluminio de tierras raras, se han estudiado ampliamente como materiales cerámicos funcionales, como láseres, fósforos y materiales energéticos.

"Entre los aluminatos, los granates y perovskitas de aluminio de tierras raras tienen propiedades atractivas y, afortunadamente, tienen sistemas eutécticos con alúmina", dice Shogen Matsumoto, quien construyó un sistema de imágenes de rayos X fabricado en laboratorio durante su doctorado. en YNU. Dijo: "Podemos sintetizar un cristal novedoso que combine las ventajas de la alúmina y el aluminato".

Este hallazgo resalta que la generación de patrones 3D en compuestos cerámicos eutécticos puede ocurrir no solo a través del proceso de solidificación por fusión sino también a través del proceso de deposición de vapor. "CVD está preparado para fabricar compuestos cerámicos eutécticos como capas funcionales o protectoras sobre materiales de sustrato", afirma Akihiko Ito, profesor asociado de YNU e investigador principal.

"Por el contrario, el proceso de solidificación por fusión, que requiere verter una masa fundida a alta temperatura superior a 2.000 grados Celsius para formar recubrimientos compuestos cerámicos sobre sustratos, no es práctico. Las investigaciones futuras se centrarán en dilucidar el mecanismo detrás de los eutécticos depositados químicamente", dijo Ito.

Los hallazgos se publican en el Journal of the American Ceramic Society.

Más información: Yuri Mitsuhashi et al, Deposición química de vapor de estructuras ordenadas en un sistema eutéctico YAG-alúmina, Journal of the American Ceramic Society (2023). DOI: 10.1111/jace.19176

Información de la revista:Revista de la Sociedad Americana de Cerámica

Proporcionado por la Universidad Nacional de Yokohama