Szilícium-karbid szerkezet és alkalmazások

A szilíciumkarbid, vagy SiC, egy rendkívül erős és tartós anyag, amely egyedülálló elektromos tulajdonságokkal rendelkezik.

A kristályos szén sűrűn csomagolt, kovalens kötésű struktúrákban kristályosodik. Atomjai két elsődleges koordinációs tetraédert alkotnak, amelyeknek minden sarkában négy szén- és négy szilíciumatom található, amelyek a sarkaikon keresztül kapcsolódnak össze, és így többtípusú struktúrákat, úgynevezett polytípusokat alkotnak.

Fizikai tulajdonságok

A szilíciumkarbid rendkívül kemény anyag, Mohs-keménysége 9 és 10 közötti, valahol a timföld és a gyémánt között helyezkedik el. A szilíciumkarbidot széles körben használják csiszolóanyagként a modern lapidáriumban, csiszolási és megmunkálási műveletekben, ipari kemencék tűzálló béléseként, vágószerszámokban, szivattyúk és rakétahajtóművek kopásálló alkatrészeiként, valamint gördeszkák kopásálló tapadószalagjaként, továbbá a karborundum-nyomdában - a karborundumszemcsék alumíniumlemezre történő felhordása, majd gördülőágyas nyomdák segítségével történő papírra nyomtatása (Mountain).

A szintetikus polikarbonátok szintetikusan előállíthatók reakciókötési vagy szinterelési eljárással, az utóbbit 0,5% szén vagy 0,5% bór szinterelési segédanyagként történő hozzáadásával javítva, a felületi diffúzió megakadályozása és a szemcsehatárok energiájának módosítása érdekében (Mountain).

A SiC egy lenyűgöző ipari kerámia, amely változatos mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, ami felbecsülhetetlen értékűvé teszi a különböző ipari környezetekben. Nagy hővezető képességének és alacsony hőtágulási sebességének köszönhetően a földi elektromos járművek meghajtórendszereinek teljesítményelektronikájában való felhasználása minden eddiginél elterjedtebbé vált. Továbbá a SiC elektromos jellemzői a hagyományos szilícium félvezetőket is helyettesíthetik a nagyobb feszültségű alkalmazásokban, például az elektromos járművek vontatási invertereiben és a töltőállomások DC/DC átalakítóiban.

Kémiai tulajdonságok

A szilícium-karbidot nitrogénnel és foszforral adalékolva n-típusú félvezetők, míg berilliummal, bórral, alumíniummal és galliummal adalékolva p-típusú félvezetők hozhatók létre. A szilíciumkarbid szoros és szimmetrikus szerkezete miatt ideális platformot biztosít az adalékoláshoz.

A tűzálló anyag kemény, rideg és hővezető. Ellenáll a magas hőmérsékleteknek és feszültségeknek, míg alacsony hőtágulási együtthatója előnyös a hőmérséklet-ingadozásoknak kitett alkalmazásokban.

Bár a természetes moissanit (Csi3SiO6) megtalálható a meteoritokban és a kimberlitben, a legtöbb ma értékesített szilíciumkarbid szintetikus. Sokféle formában létezik, a zöldtől a fekete kristályos szemcsékig és a teljesítményelektronikai alkalmazásokban használt hat hüvelykes SiC-lapkákig, és kémiailag inert, mivel ellenáll a szerves savak és lúgok okozta korróziónak, kivéve a fluorvizet és a kénsavat; vízben vagy más oldószerekben nem oldódik, de olvasztott lúgokban, például NaOH-ban vagy KOH-ban oldódik.

Elektromos tulajdonságok

A szilíciumkarbid (SiC) félvezető anyag, amely a fémek (amelyek vezetik az elektromosságot) és a szigetelők (amelyek nem vezetik az elektromosságot) között helyezkedik el. A SiC elektromos tulajdonságai a hőmérséklettől és az összetételében lévő szennyeződésektől függenek: alacsony hőmérsékleten szigetelőként viselkedik, míg magasabb hőmérsékleten a vezetőképessége észrevehetővé válik. A SiC vezetőképessége tovább javítható alumínium, bór vagy gallium szennyeződések hozzáadásával, amelyek növelik a szabad töltéshordozókat és a SiC-t P-típusú félvezetővé alakítják.

Az agyag fizikai és kémiai tulajdonságainak kombinációja vonzó anyaggá teszi a különböző iparágakban, a kopásállóságot és a fékszilárdságot növelő kerámialemezektől kezdve a magas hővezető képességéig és az alacsony tágulási együtthatójáig, amelyek lehetővé teszik a magas hőmérsékletű alkalmazásokban való felhasználását.

Emellett egyedülálló sávhézaga lehetővé teszi, hogy magasabb feszültségen és frekvencián működjön, mint a hagyományos szilícium alapú elektronika, így tökéletes anyag az olyan teljesítmény-eszközökhöz, mint a diódák, tranzisztorok és tirisztorok.

Termikus tulajdonságok

A szilícium-karbid (SiC) egy szervetlen kerámia, amely kiváló termikus tulajdonságokkal rendelkezik, így számos különböző alkalmazásban alkalmazható. A szilíciumkarbidot keménysége miatt a kopásálló alkatrészektől és csiszolóanyagoktól kezdve, hőállósága és alacsony hőtágulása miatt a tűzálló anyagokban és kerámiákban, valamint az elektronikában, ahol szélsőséges hőmérsékleten is képes vezetni az elektromosságot.

A SiC hatékony hővezető, mivel gyémánt kocka kristályszerkezete az atomok felét szilíciummal helyettesíti, ami kiváló hővezető képességet biztosít. A SiC hatékony sávhézaggal rendelkezik, amely lehetővé teszi az elektronok számára, hogy könnyen mozogjanak a valencia- és a vezetési sávok között, szemben a szigetelőkkel, amelyeknél az elektronoknak túlzott mennyiségű energiára van szükségük ahhoz, hogy átlépjék ezt a sávok közötti szakadékot.

A SiC kristályszerkezete különböző formákat, úgynevezett polytípusokat vehet fel. Minden egyes polytípus olyan rétegekből áll, amelyek meghatározott egymásra rétegződési sorrendben vannak egymásra helyezve, ami egyedi atomelrendezést eredményez - ez adja a SiC rendkívül magas fajhőjét és alacsony hőtágulási együtthatóját.