La estructura eutéctica de los metales y la cerámica ocurre cuando se solidifican múltiples fases sólidas de una fase líquida, formando un patrón tridimensional (3D) a través de un fenómeno de autoorganización. Tradicionalmente, se creía que las estructuras eutécticas solo podían obtenerse a través del 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 elementales reaccionen y generen compuestos de estado sólido con estructuras ordenadas en granate de alúmina de itrio, un sistema eutéctico de cerámica de alúmina.

En su estudio, observaron el crecimiento de cristales de YAG en forma de varilla y laminar dispuestos espacialmente dentro de una matriz de alúmina en una oblea de zafiro en condiciones ricas en Al. Por el contrario, en condiciones ricas en Y, observaron el crecimiento de cristales de alúmina dispuestos con una matriz de YAG. La elección del cristal semilla de zafiro y la composición del metamaterial determinó los patrones 3D. En comparación con el proceso de solidificación por fusión, el proceso de CVD ha ampliado la gama de combinaciones químicas que pueden generar dichos patrones.

Los eutécticos de alúmina YAG depositados químicamente se pueden dopar con elementos de tierras raras adicionales, que actúan como centros luminiscentes. Por ejemplo, los iones de cerio emiten luz amarilla cuando se irradian con LED azules, lo que da como resultado una luz blanca para la 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 del dispositivo semiconductor. «Nuestros experimentos muestran aplicaciones potenciales de la alúmina YAG químicamente eutéctica, 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 resistente y refractario y se usa comúnmente para componentes estructurales y ópticos. Los aluminatos, incluidos los granates de aluminio de tierras raras y las perovskitas, se han estudiado ampliamente como materiales cerámicos funcionales, como láseres, fósforos y materiales energéticos. «Entre los aluminatos, los granates de aluminio raros y las perovskitas tienen propiedades atractivas y, afortunadamente, tienen sistemas eutécticos con alúmina», dice Shugen Matsumoto, quien construyó un sistema de imágenes de rayos X de laboratorio durante su doctorado en YNU. Dijo: «Podemos fabricar un nuevo cristal que combine las ventajas de la alúmina y los aluminatos».

Este hallazgo destaca que la creación 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 listo para fabricar compuestos eutécticos cerámicos como capas funcionales o protectoras sobre materiales de sustrato», dice 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 una temperatura superior a los 2000 °C para formar un revestimiento de compuesto cerámico sobre los sustratos, no es práctico. Más investigaciones se centrarán en dilucidar el mecanismo detrás de la precipitación química». eutéctico.”