Silisyum Karbür Yapısı ve Uygulamaları

Silisyum karbür veya SiC, bazı benzersiz elektriksel özelliklere sahip son derece güçlü ve dayanıklı bir malzemedir.

Kristalin karbon, kovalent olarak birbirine bağlanmış yoğun paketlenmiş yapılar halinde kristalleşirken bulunabilir. Atomları, her köşesinde dört karbon ve dört silikon atomu bulunan iki birincil koordinasyon tetrahedrası oluşturur ve bunlar köşelerinden bağlanarak politip adı verilen çok tipli yapılar oluşturur.

Fiziksel Özellikler

Silisyum karbür, Mohs sertlik derecesi 9 ile 10 arasında olan ve alümina ile elmas arasında bir yerde bulunan son derece sert bir malzemedir. Silisyum karbür, modern taş işçiliğinde, taşlama ve işleme operasyonlarında, endüstriyel fırınlar için refrakter astar olarak, kesici aletlerde, pompaların ve roket motorlarının aşınmaya dayanıklı parçalarının yanı sıra kaykaylarda aşınmaya dayanıklı kavrama bandı olarak ve karborundum baskı yapımında aşındırıcı bir malzeme olarak geniş kullanım alanı bulur - karborundum kumunun bir alüminyum plakaya uygulanması ve ardından yuvarlanma yataklı presler (Mountain) kullanılarak kağıda basılması işlemi.

Sentetik polikarbonatlar, yüzey difüzyonunu önlemek ve tane sınırı enerjisini değiştirmek için sinterleme yardımcısı olarak 0.5% karbon veya 0.5% bor eklenerek geliştirilmiş reaksiyon bağlama veya sinterleme işlemleri kullanılarak sentetik olarak üretilebilir (Dağ).

SiC, çeşitli endüstriyel ortamlarda çok değerli olmasını sağlayan farklı mekanik özelliklere sahip etkileyici bir endüstriyel seramiktir. Yüksek termal iletkenlik ve düşük termal genleşme oranlarıyla, karasal elektrikli araç tahrik sistemleri için güç elektroniğinde kullanımı her zamankinden daha yaygın hale gelmiştir. Ayrıca SiC'nin elektriksel özellikleri, elektrikli araçlar için çekiş invertörleri ve şarj istasyonları için DC/DC dönüştürücüler gibi daha yüksek voltaj uygulamalarında geleneksel silikon yarı iletkenlerin yerini alabilir.

Kimyasal Özellikler

Silisyum karbür, n-tipi yarı iletkenler oluşturmak için azot ve fosfor ile katkılanabilirken, p-tipi olanlar yapmak için içine berilyum, bor, alüminyum ve galyum katkılanabilir. Yakın paketlenmiş ve simetrik yapısı nedeniyle silisyum karbür, katkılama için ideal bir platform sağlar.

Refrakter malzeme sert, kırılgan ve termal olarak iletkendir. Yüksek sıcaklıklara ve gerilimlere dayanabilirken, düşük termal genleşme katsayısı, sıcaklık değişimlerine maruz kalan uygulamalar için kullanıldığında avantajlar sunar.

Doğal mozanit (Csi3SiO6) meteoritlerde ve kimberlitte bulunabilse de günümüzde satılan çoğu silisyum karbür sentetiktir. Yeşilden siyaha kristal tanelerden güç elektroniği uygulamaları için kullanılan altı inçlik SiC gofretlere kadar birçok formda bulunur ve hidroflorik ve sülfürik asitler hariç organik asitler ve alkalilerden kaynaklanan korozyona karşı dirençli olduğu için kimyasal olarak inerttir; suda veya diğer çözücülerde çözünmez, ancak NaOH veya KOH gibi erimiş alkalilerde çözünür.

Elektriksel Özellikler

Silisyum karbür (SiC), metaller (elektriği ileten) ve yalıtkanlar (iletmeyen) arasında yer alan yarı iletken bir malzemedir. SiC'nin elektriksel özellikleri sıcaklığa ve bileşimindeki safsızlıklara bağlıdır: düşük sıcaklıklarda bir yalıtkan gibi davranır; daha yüksek sıcaklıklarda iletkenliği fark edilir hale gelir. SiC iletkenliği, serbest yük taşıyıcılarını artıran ve SiC'yi P tipi yarı iletkene dönüştüren alüminyum, bor veya galyum safsızlıkları eklenerek daha da geliştirilebilir.

Kilin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin kombinasyonu, aşınma direncini ve fren mukavemetini artıran seramik plakalardan, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmasına olanak tanıyan yüksek ısı iletkenliği ve düşük genleşme katsayısına kadar çeşitli endüstrilerde onu çekici bir malzeme haline getirmektedir.

Ayrıca, benzersiz bant aralığı, geleneksel silikon bazlı elektroniklerden daha yüksek voltaj ve frekanslarda çalışmasına izin vererek diyotlar, transistörler ve tristörler gibi güç cihazları için mükemmel bir malzeme olmasını sağlar.

Termal Özellikler

Silisyum karbür (SiC) üstün termal özelliklere sahip inorganik bir seramiktir ve birçok farklı uygulama için uygundur. Silisyum karbür, sertliği nedeniyle aşınmaya dayanıklı parçalardan ve aşındırıcılardan; ısıya karşı direnci ve düşük termal genleşmesi nedeniyle refrakterlerde ve seramiklerde; ayrıca aşırı sıcaklıklarda elektriği iletme kabiliyetinin olduğu elektroniklerde çeşitli uygulamalarda kullanım alanı bulur.

SiC, atomlarının yarısı silikon ile değiştirilmiş elmas kübik kristal yapısı nedeniyle etkili bir termal iletkendir ve üstün termal iletkenlik sağlar. SiC, elektronların bantları arasındaki bu boşluğu geçmeleri için aşırı miktarda enerji gerektiren yalıtkanlara kıyasla elektronların valans ve iletim bantları arasında kolayca hareket etmesini sağlayan etkili bir bant aralığına sahiptir.

SiC'nin kristal yapısı, çoklu tipler olarak bilinen çeşitli biçimler alabilir. Her bir çoklu tip, benzersiz atomik düzenlemelerle sonuçlanan belirli istifleme dizilerinde istiflenmiş katmanlardan oluşur - bu, SiC'ye son derece yüksek bir özgül ısı ve düşük termal genleşme katsayısı verir.