هيكل كربيد السيليكون وتطبيقاته

كربيد السيليكون، أو SiC، هو مادة قوية للغاية ومتينة مع بعض الخصائص الكهربائية الفريدة من نوعها.

يمكن العثور على الكربون البلوري متبلورًا في هياكل معبأة بكثافة ومترابطة تساهميًا معًا. وتشكل ذراته ذرات رباعي السطوح التناسقية الأولية مع أربع ذرات كربون وأربع ذرات سيليكون في كل ركن من أركانها التي ترتبط من خلال زواياها لتكوين بنى متعددة الأنواع تسمى متعددة الأنواع.

الخصائص الفيزيائية

كربيد السيليكون هو مادة شديدة الصلابة مع تصنيف صلابة موس بين 9 و10، وتقع في مكان ما بين الألومينا والماس. ويُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع كمادة كاشطة في صناعة الجواهر الحديثة، وفي عمليات الطحن والتشغيل الآلي، وكبطانة حرارية للأفران الصناعية، وأدوات القطع، والأجزاء المقاومة للتآكل في المضخات ومحركات الصواريخ، وكذلك شريط التثبيت المقاوم للتآكل على ألواح التزلج، وكذلك في الطباعة على الكاربوروندوم - وهي عملية وضع حبيبات الكاربوروندوم على صفيحة ألومنيوم ثم الطباعة على الورق باستخدام مكابس ذات قاعدة متدحرجة (جبلية).

يمكن إنتاج البولي كربونات الاصطناعية صناعياً باستخدام إما عمليات الترابط التفاعلي أو عمليات التلبيد، مع تعزيز الأخيرة من خلال إضافة 0.5% الكربون أو 0.5% البورون كعامل مساعد للتلبيد، لمنع الانتشار السطحي وتعديل طاقة حدود الحبيبات (الجبل).

يُعدّ SiC سيراميك صناعي مثير للإعجاب بخصائص ميكانيكية متنوعة تجعله لا يُقدّر بثمن في مختلف البيئات الصناعية. وبفضل الموصلية الحرارية العالية ومعدلات التمدد الحراري المنخفضة، أصبح استخدامه في إلكترونيات الطاقة لأنظمة قيادة المركبات الكهربائية الأرضية أكثر انتشاراً من أي وقت مضى. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تحل الخصائص الكهربائية لـ SiC أيضاً محل أشباه موصلات السيليكون التقليدية في تطبيقات الجهد العالي مثل محولات الجر للمركبات الكهربائية ومحولات التيار المستمر/التناوب لمحطات الشحن.

الخواص الكيميائية

يمكن تخدير كربيد السيليكون بالنيتروجين والفوسفور لتكوين أشباه موصلات من النوع n، بينما يمكن تخدير البريليوم والبورون والألومنيوم والغاليوم فيه لصنع أشباه موصلات من النوع p. وبسبب بنيته المتقاربة والمتماثلة، يوفر كربيد السيليكون منصة مثالية للتطعيم.

المواد الحرارية صلبة وهشة وموصلة للحرارة. ويمكنها تحمل درجات الحرارة والجهد العاليين بينما يوفر معامل التمدد الحراري المنخفض مزايا عند استخدامها في التطبيقات المعرضة لتغيرات درجات الحرارة.

على الرغم من أنه يمكن العثور على المويسانيت الطبيعي (Csi3SiO6) في النيازك والكمبرلايت، فإن معظم كربيد السيليكون الذي يباع اليوم هو كربيد السيليكون الصناعي. وهو يأتي في أشكال عديدة من الحبيبات البلورية الخضراء إلى السوداء إلى رقائق كربيد السيليكون ذات الست بوصات المستخدمة في تطبيقات إلكترونيات الطاقة، وهو خامل كيميائياً حيث يقاوم التآكل من الأحماض العضوية والقلويات، باستثناء أحماض الهيدروفلوريك والكبريت؛ غير قابل للذوبان في الماء أو المذيبات الأخرى ولكنه قابل للذوبان في القلويات المنصهرة مثل NaOH أو KOH.

الخصائص الكهربائية

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة شبه موصلة تقع بين المعادن (الموصلة للكهرباء) والعوازل (التي لا توصل الكهرباء). وتعتمد الخصائص الكهربائية لكربيد السيليكون على درجة الحرارة والشوائب في تركيبته: ففي درجات الحرارة المنخفضة يعمل مثل العازل؛ بينما في درجات الحرارة الأعلى تصبح الموصلية ملحوظة. يمكن تحسين توصيلية SiC عن طريق إضافة شوائب الألومنيوم أو البورون أو الغاليوم التي تزيد من ناقلات الشحنة الحرة وتحول SiC إلى أشباه موصلات من النوع P.

إن الجمع بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية للطين يجعله مادة جذابة في مختلف الصناعات، بدءًا من ألواح السيراميك التي تزيد من مقاومة التآكل وقوة الفرامل، إلى الموصلية الحرارية العالية ومعامل التمدد المنخفض الذي يسمح باستخدامه في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

بالإضافة إلى ذلك، تسمح فجوة النطاق الفريدة من نوعها بتشغيلها بجهود وترددات أعلى من الإلكترونيات التقليدية القائمة على السيليكون، مما يجعلها المادة المثالية لأجهزة الطاقة مثل الثنائيات والترانزستورات والثايرستور.

الخواص الحرارية

كربيد السيليكون (SiC) هو سيراميك غير عضوي يتمتع بخصائص حرارية فائقة، مما يجعله مناسبًا للعديد من التطبيقات المختلفة. ويستخدم كربيد السيليكون في تطبيقات تتراوح بين الأجزاء المقاومة للتآكل والمواد الكاشطة نظراً لصلابته؛ وفي الحراريات والسيراميك نظراً لمقاومته للحرارة وانخفاض تمدده الحراري؛ وكذلك في الإلكترونيات حيث قدرته على توصيل الكهرباء تحت درجات الحرارة القصوى.

يعتبر SiC موصلاً حرارياً فعالاً بسبب بنيته البلورية المكعبة الماسية مع استبدال نصف الذرات بالسيليكون، مما يوفر توصيلية حرارية فائقة. يتميز SiC بفجوة نطاق فعالة تمكن الإلكترونات من التحرك بسهولة بين نطاقات التكافؤ والتوصيل مقارنةً بالعوازل التي تتطلب كميات كبيرة من الطاقة للإلكترونات لعبور هذه الفجوة بين نطاقاتها.

يمكن أن تتخذ البنية البلورية لكريستال السيليكون أشكالاً مختلفة تُعرف باسم الأنواع المتعددة. ويتكون كل نوع متعدد الأنواع من طبقات مكدسة في تسلسلات تكديس محددة ينتج عنها ترتيبات ذرية فريدة من نوعها، وهذا يعطي SiC حرارة نوعية عالية للغاية ومعامل تمدد حراري منخفض.