Struttura e applicazioni del carburo di silicio

Il carburo di silicio, o SiC, è un materiale estremamente resistente e durevole con alcune proprietà elettriche uniche.

Il carbonio cristallino può essere trovato cristallizzato in strutture densamente impacchettate e legate tra loro in modo covalente. I suoi atomi formano due tetraedri di coordinazione primaria con quattro atomi di carbonio e quattro atomi di silicio in ogni angolo che si collegano attraverso i loro angoli per formare strutture politipiche chiamate politipi.

Proprietà fisiche

Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro, con una durezza Mohs compresa tra 9 e 10, a metà strada tra l'allumina e il diamante. Il carburo di silicio trova largo impiego come materiale abrasivo nella moderna lapidaria, nelle operazioni di rettifica e lavorazione, come rivestimento refrattario per forni industriali, utensili da taglio, parti resistenti all'usura di pompe e motori a razzo, nonché come nastro di presa resistente all'usura per gli skateboard e per la stampa al carborundum - il processo di applicazione di graniglia di carborundum a una lastra di alluminio e successiva stampa su carta mediante presse a letto rotante (Mountain).

I policarbonati sintetici possono essere prodotti sinteticamente utilizzando processi di incollaggio per reazione o di sinterizzazione, con quest'ultima migliorata grazie all'aggiunta di carbonio 0,5% o boro 0,5% come ausilio alla sinterizzazione, per prevenire la diffusione superficiale e modificare l'energia del bordo del grano (Mountain).

Il SiC è un'impressionante ceramica industriale con diverse proprietà meccaniche che lo rendono prezioso in vari contesti industriali. Grazie all'elevata conducibilità termica e ai bassi tassi di espansione termica, il suo impiego nell'elettronica di potenza per i sistemi di trazione dei veicoli elettrici terrestri è diventato più diffuso che mai. Inoltre, le caratteristiche elettriche del SiC potrebbero sostituire i tradizionali semiconduttori al silicio in applicazioni ad alta tensione, come gli inverter di trazione per i veicoli elettrici e i convertitori DC/DC per le stazioni di ricarica.

Proprietà chimiche

Il carburo di silicio può essere drogato con azoto e fosforo per formare semiconduttori di tipo n, mentre berillio, boro, alluminio e gallio possono essere drogati in esso per ottenere semiconduttori di tipo p. Grazie alla sua struttura simmetrica e a strati ravvicinati, il carburo di silicio rappresenta una piattaforma ideale per il drogaggio.

Il materiale refrattario è duro, fragile e termoconduttivo. Può resistere a temperature e tensioni elevate, mentre il suo basso coefficiente di espansione termica offre vantaggi quando viene utilizzato per applicazioni soggette a variazioni di temperatura.

Sebbene la moissanite naturale (Csi3SiO6) si trovi in meteoriti e kimberlite, la maggior parte del carburo di silicio venduto oggi è sintetico. Si presenta in molte forme, dai grani cristallini verdi e neri ai wafer di SiC da 15 cm utilizzati per applicazioni di elettronica di potenza, ed è chimicamente inerte in quanto resiste alla corrosione degli acidi organici e degli alcali, ad eccezione degli acidi fluoridrico e solforico; è insolubile in acqua o in altri solventi, ma è solubile in alcali fusi come NaOH o KOH.

Proprietà elettriche

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore, situato tra i metalli (che conducono l'elettricità) e gli isolanti (che non la conducono). Le proprietà elettriche del SiC dipendono dalla temperatura e dalle impurità presenti nella sua composizione: a basse temperature si comporta come un isolante, mentre a temperature più elevate la sua conduttività diventa evidente. La conduttività del SiC può essere ulteriormente migliorata con l'aggiunta di impurità di alluminio, boro o gallio, che aumentano i portatori di carica liberi e convertono il SiC in un semiconduttore di tipo P.

La combinazione di proprietà fisiche e chimiche dell'argilla la rende un materiale interessante in diversi settori, dalle piastre ceramiche che aumentano la resistenza all'abrasione e la forza dei freni, all'elevata conducibilità termica e al basso coefficiente di espansione che ne consentono l'uso in applicazioni ad alta temperatura.

Inoltre, il suo bandgap unico gli consente di operare a tensioni e frequenze più elevate rispetto all'elettronica tradizionale basata sul silicio, rendendolo il materiale perfetto per dispositivi di potenza come diodi, transistor e tiristori.

Proprietà termiche

Il carburo di silicio (SiC) è una ceramica inorganica con proprietà termiche superiori, che la rendono adatta a molte applicazioni diverse. Il carburo di silicio trova impiego in applicazioni che vanno dalle parti resistenti all'usura e agli abrasivi, grazie alla sua durezza, ai refrattari e alle ceramiche, grazie alla sua resistenza al calore e alla bassa espansione termica, e all'elettronica, grazie alla sua capacità di condurre elettricità a temperature estreme.

Il SiC è un efficace conduttore termico grazie alla sua struttura cristallina cubica a diamante con metà degli atomi sostituiti da silicio, che garantisce una conducibilità termica superiore. Il SiC presenta un bandgap efficiente che consente agli elettroni di spostarsi facilmente tra le bande di valenza e di conduzione, rispetto agli isolanti che richiedono quantità eccessive di energia per attraversare il gap tra le bande.

La struttura cristallina del SiC può assumere varie forme, note come politipi. Ogni politipo è costituito da strati impilati secondo specifiche sequenze di impilamento che danno luogo a disposizioni atomiche uniche: ciò conferisce al SiC un calore specifico estremamente elevato e un basso coefficiente di espansione termica.