Siliciumcarbide Structuur en Toepassingen

Siliciumcarbide, of SiC, is een extreem sterk en duurzaam materiaal met enkele unieke elektrische eigenschappen.

Kristallijne koolstof kristalliseert in dicht opeengepakte structuren die covalent aan elkaar gebonden zijn. De atomen vormen twee primaire coördinatietetraëders met vier koolstof- en vier siliciumatomen in elke hoek die via hun hoeken met elkaar verbonden zijn om polytype structuren te vormen die polytypes worden genoemd.

Fysische eigenschappen

Siliciumcarbide is een extreem hard materiaal met een Mohs-hardheid tussen 9 en 10, ergens tussen aluminiumoxide en diamant in. Siliciumcarbide wordt veel gebruikt als slijpmateriaal in moderne lapidaria, bij slijpen en machinale bewerkingen, als vuurvaste bekleding voor industriële ovens, snijgereedschappen, slijtvaste onderdelen van pompen en raketmotoren en als slijtvaste griptape op skateboards, maar ook in carborundumdruk - het proces van het aanbrengen van carborundumkorrels op een aluminium plaat en het vervolgens afdrukken op papier met behulp van rolbedpersen (Mountain).

Synthetische polycarbonaten kunnen synthetisch worden geproduceerd met behulp van reactiebinding of sinterprocessen, waarbij de laatste worden verbeterd door toevoeging van 0,5% koolstof of 0,5% boor als sinterhulpmiddel om oppervlaktediffusie te voorkomen en de korrelgrensenergie te wijzigen (Mountain).

SiC is een indrukwekkende industriële keramiek met diverse mechanische eigenschappen waardoor het van onschatbare waarde is in verschillende industriële omgevingen. Met zijn hoge thermische geleidbaarheid en lage thermische uitzetting wordt SiC steeds vaker gebruikt in vermogenselektronica voor aandrijfsystemen voor elektrische voertuigen op aarde. Bovendien zouden de elektrische eigenschappen van SiC ook traditionele siliciumhalfgeleiders kunnen vervangen in toepassingen met een hogere spanning, zoals tractieomvormers voor elektrische voertuigen en DC/DC-omvormers voor laadstations.

Chemische eigenschappen

Siliciumcarbide kan gedoteerd worden met stikstof en fosfor om n-type halfgeleiders te vormen, terwijl beryllium, boor, aluminium en gallium gedoteerd kunnen worden om p-type halfgeleiders te maken. Door de dicht opeengepakte en symmetrische structuur biedt siliciumcarbide een ideaal platform voor dopering.

Vuurvast materiaal is hard, bros en warmtegeleidend. Het is bestand tegen hoge temperaturen en spanningen, terwijl de lage thermische uitzettingscoëfficiënt voordelen biedt bij toepassingen die onderhevig zijn aan temperatuurschommelingen.

Hoewel natuurlijk moissaniet (Csi3SiO6) kan worden gevonden in meteorieten en kimberliet, is het meeste siliciumcarbide dat tegenwoordig wordt verkocht synthetisch. Het is chemisch inert omdat het bestand is tegen corrosie door organische zuren en alkaliën, met uitzondering van fluorwaterstofzuur en zwavelzuur. Het is onoplosbaar in water of andere oplosmiddelen, maar oplosbaar in gesmolten alkaliën zoals NaOH of KOH.

Elektrische eigenschappen

Siliciumcarbide (SiC) is een halfgeleidermateriaal dat zich tussen metalen (die elektriciteit geleiden) en isolatoren (die dat niet doen) bevindt. De elektrische eigenschappen van SiC zijn afhankelijk van de temperatuur en de onzuiverheden in de samenstelling: bij lage temperaturen gedraagt het zich als een isolator, terwijl bij hogere temperaturen de geleidbaarheid merkbaar wordt. De geleidbaarheid van SiC kan verder worden verbeterd door aluminium, boor of gallium onzuiverheden toe te voegen die de vrije ladingsdragers verhogen en SiC omzetten in een P-type halfgeleider.

De combinatie van fysische en chemische eigenschappen van klei maakt het een aantrekkelijk materiaal in verschillende industrieën, van keramische platen die de slijtvastheid en remsterkte verhogen tot de hoge thermische geleidbaarheid en lage uitzettingscoëfficiënt waardoor het kan worden gebruikt in toepassingen bij hoge temperaturen.

Bovendien kan het dankzij de unieke bandkloof werken bij hogere spanningen en frequenties dan traditionele elektronica op basis van silicium, waardoor het het perfecte materiaal is voor voedingsapparaten zoals diodes, transistors en thyristors.

Thermische eigenschappen

Siliciumcarbide (SiC) is een anorganische keramiek met superieure thermische eigenschappen, waardoor het geschikt is voor veel verschillende toepassingen. Siliciumcarbide wordt gebruikt in toepassingen die variëren van slijtvaste onderdelen en schuurmiddelen vanwege de hardheid, in vuurvaste materialen en keramiek vanwege de hittebestendigheid en lage thermische uitzetting, tot elektronica vanwege het vermogen om elektriciteit te geleiden onder extreme temperaturen.

SiC is een effectieve warmtegeleider dankzij de diamantkubusvormige kristalstructuur waarbij de helft van de atomen vervangen is door silicium, wat zorgt voor een superieur warmtegeleidingsvermogen. SiC heeft een efficiënte bandkloof waardoor elektronen gemakkelijk tussen de valentie- en geleidingsbanden kunnen bewegen, vergeleken met isolatoren die buitensporig veel energie nodig hebben om elektronen deze kloof tussen hun banden te laten overbruggen.

De kristalstructuur van SiC kan verschillende vormen aannemen, polytypes genoemd. Elk polytype bestaat uit lagen die gestapeld zijn in specifieke stapelingen die resulteren in unieke atomaire rangschikkingen - dit geeft SiC een extreem hoge soortelijke warmte en lage thermische uitzettingscoëfficiënt.