Struktura a aplikace karbidu křemíku

Karbid křemíku neboli SiC je extrémně pevný a odolný materiál s některými jedinečnými elektrickými vlastnostmi.

Krystalický uhlík krystalizuje do hustě uspořádaných struktur, které jsou kovalentně vázány. Jeho atomy tvoří dva primární koordinační tetraedry se čtyřmi atomy uhlíku a čtyřmi atomy křemíku v každém rohu, které se propojují přes své rohy a vytvářejí polytypové struktury zvané polytypy.

Fyzikální vlastnosti

Karbid křemíku je extrémně tvrdý materiál s tvrdostí podle Mohsovy stupnice mezi 9 a 10, tedy někde mezi oxidem hlinitým a diamantem. Karbid křemíku nachází široké uplatnění jako abrazivní materiál v moderním lapidáriu, při broušení a obrábění, jako žáruvzdorná vyzdívka průmyslových pecí, řezné nástroje, otěruvzdorné součásti čerpadel a raketových motorů a také jako otěruvzdorná úchopová páska na skateboardech a také v karborundové grafice - procesu nanášení karborundové drti na hliníkovou desku a následného tisku na papír pomocí válcovacích lisů (Mountain).

Syntetické polykarbonáty lze vyrábět synteticky buď reakční vazbou, nebo spékáním, přičemž spékání je vylepšeno přidáním 0,5% uhlíku nebo 0,5% bóru jako pomocné látky při spékání, aby se zabránilo povrchové difúzi a změnila se energie na hranici zrn (Mountain).

SiC je působivá průmyslová keramika s rozmanitými mechanickými vlastnostmi, které ji činí neocenitelnou v různých průmyslových prostředích. Díky vysoké tepelné vodivosti a nízké tepelné roztažnosti se jeho použití ve výkonové elektronice pro pohonné systémy pozemních elektrických vozidel rozšířilo více než kdy jindy. Elektrické vlastnosti SiC by navíc mohly nahradit tradiční křemíkové polovodiče i v aplikacích s vyšším napětím, jako jsou trakční měniče pro elektromobily a DC/DC měniče pro nabíjecí stanice.

Chemické vlastnosti

Karbid křemíku lze dopovat dusíkem a fosforem, čímž vznikají polovodiče typu n, zatímco beryliem, bórem, hliníkem a heliem lze dopovat polovodiče typu p. Karbid křemíku je díky své těsné a symetrické struktuře ideální platformou pro dopování.

Žáruvzdorný materiál je tvrdý, křehký a tepelně vodivý. Odolává vysokým teplotám a napětím a jeho nízký koeficient tepelné roztažnosti je výhodou při použití v aplikacích, kde dochází ke změnám teplot.

Ačkoli se přírodní moissanit (Csi3SiO6) nachází v meteoritech a kimberlitu, většina dnes prodávaného karbidu křemíku je syntetická. Vyrábí se v mnoha formách, od zelených až po černá krystalická zrna a šestipalcové destičky SiC používané pro aplikace ve výkonové elektronice, a je chemicky inertní, protože odolává korozi organickými kyselinami a zásadami, s výjimkou kyseliny fluorovodíkové a sírové; je nerozpustný ve vodě nebo jiných rozpouštědlech, ale rozpustný v roztavených zásadách, jako je NaOH nebo KOH.

Elektrické vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je polovodičový materiál, který se nachází mezi kovy (které vedou elektrický proud) a izolanty (které elektrický proud nevedou). Elektrické vlastnosti SiC závisí na teplotě a příměsích v jeho složení: při nízkých teplotách se chová jako izolant, zatímco při vyšších teplotách je jeho vodivost znatelná. Vodivost SiC lze dále zlepšit přidáním příměsí hliníku, bóru nebo galia, které zvyšují množství volných nosičů náboje a přeměňují SiC na polovodič typu P.

Kombinace fyzikálních a chemických vlastností jílu z něj činí atraktivní materiál v různých průmyslových odvětvích, od keramických desek, které zvyšují odolnost proti otěru a pevnost brzd, až po vysokou tepelnou vodivost a nízký koeficient roztažnosti, které umožňují jeho použití v aplikacích s vysokými teplotami.

Navíc jeho jedinečná pásmová propust umožňuje pracovat při vyšších napětích a frekvencích než tradiční elektronika na bázi křemíku, což z něj činí ideální materiál pro výkonová zařízení, jako jsou diody, tranzistory a tyristory.

Tepelné vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je anorganická keramika s vynikajícími tepelnými vlastnostmi, která je vhodná pro mnoho různých aplikací. Karbid křemíku nachází uplatnění v různých aplikacích, od dílů odolných proti opotřebení a abraziv díky své tvrdosti; v žáruvzdorných materiálech a keramice díky své odolnosti vůči teplu a nízké tepelné roztažnosti; a také v elektronice, kde jeho schopnost vést elektrický proud při extrémních teplotách.

SiC je účinným tepelným vodičem díky své krystalové struktuře diamantové kostky, v níž je polovina atomů nahrazena křemíkem, což zajišťuje vynikající tepelnou vodivost. SiC má účinnou pásmovou mezeru, která umožňuje elektronům snadno přecházet mezi jeho valenčními a vodivostními pásy ve srovnání s izolanty, které vyžadují nadměrné množství energie, aby elektrony mohly tuto mezeru mezi pásy překonat.

Krystalová struktura SiC může nabývat různých forem, tzv. polytypů. Každý polytyp se skládá z vrstev poskládaných ve specifickém uspořádání, které vede k jedinečnému uspořádání atomů - díky tomu má SiC extrémně vysoké měrné teplo a nízký koeficient tepelné roztažnosti.