Geração de padrões 3D via deposição química de vapor de sistema eutético cerâmico para novo sólido

26 de junho de 2023

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pela Universidade Nacional de Yokohama

A estrutura eutética de metais e cerâmicas ocorre quando múltiplas fases sólidas se solidificam a partir de uma fase líquida, formando um padrão tridimensional (3D) através de um fenômeno auto-organizado. Tradicionalmente, acreditava-se que as estruturas eutéticas só poderiam ser obtidas através de um processo de solidificação por fusão.

Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama (YNU) desenvolveram um processo de deposição química de vapor (CVD) que permite que gases precursores reajam e gerem compósitos de estado sólido com estruturas ordenadas em um sistema eutético cerâmico YAG (granada de ítrio-alumina)-alumina.

Em seu estudo, eles observaram o crescimento de cristais YAG em forma de bastão e lamelar ordenados espacialmente dentro de uma matriz de alumina em uma pastilha de safira sob condições ricas em Al. Por outro lado, sob condições ricas em Y, observaram o crescimento de cristais ordenados de alumina com uma matriz YAG. A escolha do cristal de semente de safira e a composição do precursor determinaram os padrões 3D. Comparado com o processo de solidificação por fusão, o processo CVD expandiu a gama de composições químicas que poderiam gerar tais padrões.

Os eutéticos YAG-alumina depositados quimicamente podem ser dopados com elementos adicionais de terras raras, servindo como centros luminescentes. Por exemplo, os íons de cério emitem luz amarela quando irradiados com LEDs azuis, produzindo luz branca para iluminação de estado sólido. Os íons európio emitem luz vermelha para radiografia de raios X quando expostos aos raios X que passam através de um dispositivo semicondutor. "Nossos experimentos demonstram aplicações potenciais de eutéticos quimicamente depositados com alumina YAG como iluminação LED resistente ao meio ambiente e imagens de raios X de alta resolução", disse Yuri Mitsuhashi, autor principal do estudo, que conduziu os experimentos enquanto era estudante de pós-graduação na YNU.

A alumina é reconhecida há muito tempo como um material cerâmico refratário robusto e é comumente usada em componentes estruturais e ópticos. Aluminatos, incluindo granadas de alumínio de terras raras e perovskitas, têm sido extensivamente estudados como materiais cerâmicos funcionais, como lasers, fósforos e materiais energéticos.

"Entre os aluminatos, granadas de alumínio de terras raras e perovskitas têm propriedades atraentes e, felizmente, possuem sistemas eutéticos com alumina", diz Shogen Matsumoto, que construiu um sistema de imagem de raios X feito em laboratório durante seu doutorado. na YNU. Ele disse: “Podemos sintetizar um novo cristal que combine as vantagens da alumina e do aluminato”.

Esta descoberta destaca que a geração de padrões 3D em compósitos cerâmicos eutéticos pode ocorrer não apenas através do processo de solidificação por fusão, mas também através do processo de deposição de vapor. "A CVD está pronta para fazer compósitos eutéticos cerâmicos como camadas funcionais ou protetoras sobre materiais de substrato", diz Akihiko Ito, professor associado da YNU e pesquisador principal.

"Por outro lado, o processo de solidificação por fusão, que requer o vazamento de uma fusão em alta temperatura superior a 2.000 graus Celsius para formar revestimentos compósitos cerâmicos em substratos, é impraticável. Pesquisas futuras se concentrarão em elucidar o mecanismo por trás dos eutéticos depositados quimicamente, "disse Ito.

As descobertas são publicadas no Journal of the American Ceramic Society.

Mais Informações: Yuri Mitsuhashi et al, Deposição química de vapor de estruturas ordenadas no sistema eutético YAG-alumina, Journal of the American Ceramic Society (2023). DOI: 10.1111/jace.19176