새로운 고체를 위한 세라믹 공융 시스템의 화학 기상 증착을 통한 3D 패턴 생성

2023년 6월 26일

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요코하마 국립대학교

금속과 세라믹의 공융 구조는 여러 개의 고체상이 액체상에서 응고되면서 발생하며 자기 조직화 현상을 통해 3차원(3D) 패턴을 형성합니다. 전통적으로 공융 구조는 용융 응고 공정을 통해서만 얻을 수 있다고 믿어왔습니다.

요코하마 국립대학교(YNU) 연구원들은 전구체 가스가 반응하여 YAG(이트륨 알루미나 가넷)-알루미나 세라믹 공융 시스템에서 정렬된 구조를 갖는 고체 복합재를 생성할 수 있는 화학 기상 증착(CVD) 공정을 개발했습니다.

그들의 연구에서 그들은 Al이 풍부한 조건에서 사파이어 웨이퍼의 알루미나 매트릭스 내에서 공간적으로 정렬된 막대 모양 및 층상 모양의 YAG 결정이 성장하는 것을 관찰했습니다. 반대로, Y가 풍부한 조건에서는 YAG 매트릭스를 사용하여 정렬된 알루미나 결정의 성장을 관찰했습니다. 사파이어 씨드 크리스탈의 선택과 전구체의 구성에 따라 3D 패턴이 결정됩니다. 용융 응고 공정과 비교하여 CVD 공정은 이러한 패턴을 생성할 수 있는 화학 조성의 범위를 확장했습니다.

화학적으로 증착된 YAG-알루미나 공융 물질은 추가적인 희토류 원소로 도핑되어 발광 중심 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 세륨 이온은 파란색 LED를 조사하면 노란색 빛을 방출하여 고체 조명용 흰색 빛을 생성합니다. 유로뮴 이온은 반도체 장치를 통과하는 X선에 노출되면 X선 방사선 촬영을 위해 빨간색 빛을 방출합니다. "우리의 실험은 화학적으로 증착된 YAG-알루미나 공융 물질이 환경에 강한 LED 조명 및 고해상도 X-선 이미징으로 응용될 수 있음을 보여줍니다."라고 이 연구의 주 저자인 Yuri Mitsuhashi는 YNU 대학원생으로 실험을 수행했습니다.

알루미나는 오랫동안 견고한 내화성 세라믹 재료로 인식되어 왔으며 일반적으로 구조 및 광학 부품에 사용됩니다. 희토류 알루미늄 가넷과 페로브스카이트를 포함한 알루미네이트는 레이저, 형광체, 에너지 재료와 같은 기능성 세라믹 재료로 광범위하게 연구되어 왔습니다.

"알루미네이트 중에서 희토류 알루미늄 석류석과 페로브스카이트는 매력적인 특성을 가지고 있으며 다행스럽게도 알루미나와 공융 시스템을 가지고 있습니다"라고 박사 과정에서 실험실에서 X선 ​​이미징 시스템을 구축한 Shogen Matsumoto는 말합니다. YNU에서. 그는 “알루미나와 알루미네이트의 장점을 결합한 새로운 결정을 합성할 수 있다”고 말했다.

이 발견은 세라믹 공융 복합재의 3D 패턴 생성이 용융 응고 공정뿐만 아니라 기상 증착 공정을 통해서도 발생할 수 있음을 강조합니다. "CVD는 기판 재료 위에 기능성 또는 보호층으로 세라믹 공융 복합재를 만들 준비가 되어 있습니다."라고 YNU의 부교수이자 수석 연구원인 Akihiko Ito가 말했습니다.

대조적으로, 기판에 세라믹 복합 코팅을 형성하기 위해 섭씨 2,000도를 초과하는 고온 용융물을 쏟아야 하는 용융 응고 공정은 비현실적입니다. 추가 연구는 화학적으로 증착된 공융 물질 뒤에 있는 메커니즘을 밝히는 데 초점을 맞출 것입니다.”라고 Ito는 말했습니다.

연구 결과는 미국 세라믹 학회지(Journal of the American Ceramic Society)에 게재되었습니다.

추가 정보: Yuri Mitsuhashi 외, YAG-알루미나 공융 시스템에서 정렬된 구조의 화학 기상 증착, Journal of the American Ceramic Society(2023). DOI: 10.1111/jace.19176