Структура и применение карбида кремния

Карбид кремния, или SiC, - чрезвычайно прочный и долговечный материал, обладающий уникальными электрическими свойствами.

Кристаллический углерод можно обнаружить кристаллизующимся в плотно упакованные структуры, ковалентно связанные между собой. Его атомы образуют два первичных координационных тетраэдра с четырьмя атомами углерода и четырьмя атомами кремния в каждом углу, которые соединяются через свои углы, образуя политипные структуры, называемые политипами.

Физические свойства

Карбид кремния - чрезвычайно твердый материал с твердостью по шкале Мооса от 9 до 10 единиц, находящийся где-то между глиноземом и алмазом. Карбид кремния находит широкое применение в качестве абразивного материала в современном гранильном деле, при шлифовании и механической обработке, в качестве огнеупорной футеровки промышленных печей, режущего инструмента, износостойких деталей насосов и ракетных двигателей, износостойкой ленты для захвата скейтбордов, а также в карборундовой печати - процессе нанесения карборундовой крошки на алюминиевую пластину и последующей печати на бумаге с помощью прессов с накатным механизмом (Маунт).

Синтетические поликарбонаты могут быть получены синтетическим путем с использованием реакционного присоединения или спекания, причем в последнем случае добавляется 0,5% углерода или 0,5% бора в качестве агломерата для предотвращения поверхностной диффузии и изменения энергии границ зерен (Mountain).

SiC - впечатляющая промышленная керамика с разнообразными механическими свойствами, что делает ее неоценимой в различных промышленных условиях. Благодаря высокой теплопроводности и низким показателям теплового расширения, его использование в силовой электронике для систем привода наземных электромобилей стало более распространенным, чем когда-либо. Кроме того, электрические характеристики SiC могут заменить традиционные кремниевые полупроводники в высоковольтных приложениях, таких как тяговые инверторы для электромобилей и DC/DC-преобразователи для зарядных станций.

Химические свойства

Карбид кремния можно легировать азотом и фосфором для получения полупроводников n-типа, а бериллием, бором, алюминием и галлием - для получения полупроводников p-типа. Благодаря своей плотной и симметричной структуре карбид кремния представляет собой идеальную платформу для легирования.

Огнеупорный материал - твердый, хрупкий и теплопроводный. Он может выдерживать высокие температуры и напряжения, а его низкий коэффициент теплового расширения дает преимущества при использовании в приложениях, подверженных колебаниям температуры.

Хотя природный муассанит (Csi3SiO6) можно найти в метеоритах и кимберлитах, большинство продаваемых сегодня карбидов кремния - синтетические. Он выпускается в различных формах - от зеленых до черных кристаллических зерен до шестидюймовых пластин SiC, используемых в силовой электронике, и химически инертен, поскольку противостоит коррозии от органических кислот и щелочей, за исключением плавиковой и серной кислот; нерастворим в воде или других растворителях, но растворим в расплавленных щелочах, таких как NaOH или KOH.

Электрические свойства

Карбид кремния (SiC) - это полупроводниковый материал, находящийся между металлами (проводящими электричество) и изоляторами (не проводящими). Электрические свойства SiC зависят от температуры и примесей в его составе: при низких температурах он ведет себя как изолятор, а при более высоких температурах его проводимость становится заметной. Проводимость SiC можно улучшить путем добавления примесей алюминия, бора или галлия, которые увеличивают количество свободных носителей заряда и превращают SiC в полупроводник P-типа.

Сочетание физических и химических свойств глины делает ее привлекательным материалом в различных отраслях промышленности: от керамических плит, повышающих износостойкость и прочность тормозов, до высокой теплопроводности и низкого коэффициента расширения, позволяющих использовать ее в высокотемпературных приложениях.

Кроме того, уникальная полоса пропускания позволяет ему работать при более высоких напряжениях и частотах, чем традиционная электроника на основе кремния, что делает его идеальным материалом для силовых устройств, таких как диоды, транзисторы и тиристоры.

Тепловые свойства

Карбид кремния (SiC) - это неорганическая керамика с превосходными тепловыми свойствами, что делает его пригодным для различных областей применения. Благодаря своей твердости карбид кремния находит применение в различных областях: в износостойких деталях и абразивных материалах; в огнеупорах и керамике благодаря своей устойчивости к нагреву и низкому тепловому расширению; а также в электронике, где он способен проводить электричество при экстремальных температурах.

SiC является эффективным теплопроводником благодаря своей алмазно-кубической кристаллической структуре, в которой половина атомов заменена кремнием, что обеспечивает превосходную теплопроводность. SiC имеет эффективную полосу пропускания, которая позволяет электронам легко перемещаться между валентной полосой и полосой проводимости, в отличие от изоляторов, которым требуется чрезмерное количество энергии для того, чтобы электроны преодолели этот зазор между своими полосами.

Кристаллическая структура SiC может принимать различные формы, называемые политипами. Каждый политип состоит из слоев, уложенных в определенной последовательности, что приводит к уникальному расположению атомов - благодаря этому SiC обладает чрезвычайно высокой удельной теплоемкостью и низким коэффициентом теплового расширения.