Štruktúra a aplikácie karbidu kremíka

Karbid kremíka, alebo SiC, je mimoriadne pevný a odolný materiál s niektorými jedinečnými elektrickými vlastnosťami.

Kryštalický uhlík sa vyskytuje vo forme kryštálov s hustými štruktúrami, ktorých atómy sú navzájom kovalentne viazané. Jeho atómy tvoria dva primárne koordinačné tetraédre, z ktorých každý má v rohoch po štyri atómy uhlíka a štyri atómy kremíka, ktoré sa spájajú cez svoje rohy a vytvárajú polytipové štruktúry nazývané polytipy.

Fyzikálne vlastnosti

Karbid kremíka je mimoriadne tvrdý materiál s tvrdosťou podľa Mohsa medzi 9 a 10, čo ho radí niekde medzi oxid hlinitý a diamant. Karbid kremíka nachádza široké uplatnenie ako brúsny materiál v modernom klenotníctve, pri brúsení a obrábaní, ako žiaruvzdorná výstelka priemyselných pecí, v rezných nástrojoch, na dieloch čerpadiel a raketových motorov odolných proti opotrebeniu, ako aj na protisklzovej páske na skateboardoch a pri karborundovej tlači – procese, pri ktorom sa karborundové zrno nanáša na hliníkovú dosku a následne sa tlačí na papier pomocou valcových lisov (Mountain).

Syntetické polykarbonáty je možné vyrábať synteticky buď prostredníctvom reakčného spájania, alebo spekacích procesov, pričom efektivita týchto procesov sa zvyšuje pridaním 0,5% uhlíka alebo 0,5% bóru ako spekacieho činidla, čím sa zabráni povrchovej difúzii a upraví sa energia hraníc zŕn (Mountain).

SiC je vynikajúca priemyselná keramika s rozmanitými mechanickými vlastnosťami, vďaka čomu je neoceniteľná v rôznych priemyselných odvetviach. Vďaka vysokej tepelnej vodivosti a nízkej tepelnej rozťažnosti sa jej využitie v výkonovej elektronike pre pohonné systémy pozemných elektrických vozidiel stáva čoraz bežnejším. Okrem toho by elektrické vlastnosti SiC mohli nahradiť tradičné kremíkové polovodiče v aplikáciách s vyšším napätím, ako sú trakčné meniče pre elektrické vozidlá a meniče DC/DC pre nabíjacie stanice.

Chemické vlastnosti

Karbid kremíka možno dopovať dusíkom a fosforom, čím vznikajú polovodiče typu n, zatiaľ čo dopovaním berýliom, bórom, hliníkom a gáliom sa získavajú polovodiče typu p. Vďaka svojej tesne usporiadanej a symetrickej štruktúre predstavuje karbid kremíka ideálnu platformu pre dopovanie.

Žiaruvzdorný materiál je tvrdý, krehký a má dobrú tepelnú vodivosť. Vydrží vysoké teploty a napätia, pričom jeho nízky koeficient tepelnej rozťažnosti ponúka výhody pri použití v aplikáciách, kde dochádza k teplotným výkyvom.

Hoci sa prírodný moissanit (Csi₃SiO₆) vyskytuje v meteoritoch a kimberlitoch, väčšina karbidu kremíka, ktorá sa dnes predáva, je syntetická. Vyskytuje sa v mnohých formách, od zelených až po čierne kryštalické zrná až po šesťpalcové SiC doštičky používané v výkonovej elektronike, a je chemicky inertný, keďže odoláva korózii spôsobenej organickými kyselinami a zásadami, s výnimkou kyseliny fluorovodíkovej a sírovej; je nerozpustný vo vode ani v iných rozpúšťadlách, avšak rozpustný v roztavených lúhoch, ako sú NaOH alebo KOH.

Elektrické vlastnosti

Karbid kremíka (SiC) je polovodičový materiál, ktorý sa nachádza medzi kovmi (ktoré vedú elektrinu) a izolantmi (ktoré ju nevedú). Elektrické vlastnosti SiC závisia od teploty a nečistôt v jeho zložení: pri nízkych teplotách sa správa ako izolátor, zatiaľ čo pri vyšších teplotách sa prejavuje jeho vodivosť. Vodivosť SiC možno ďalej zvýšiť pridaním nečistôt hliníka, bóru alebo galia, ktoré zvyšujú počet voľných nosičov náboja a menia SiC na polovodič typu P.

Kombinácia fyzikálnych a chemických vlastností hliny z nej robí atraktívny materiál v rôznych odvetviach priemyslu – od keramických dosiek, ktoré zvyšujú odolnosť proti oderu a pevnosť bŕzd, až po jej vysokú tepelnú vodivosť a nízky koeficient rozťažnosti, vďaka čomu sa dá využívať v aplikáciách s vysokými teplotami.

Okrem toho mu jeho jedinečná šírka zakázaného pásma umožňuje pracovať pri vyšších napätiach a frekvenciách než tradičná elektronika na báze kremíka, čo z neho robí ideálny materiál pre výkonové zariadenia, ako sú diódy, tranzistory a tyristory.

Tepelné vlastnosti

Karbid kremíka (SiC) je anorganická keramika s vynikajúcimi tepelnými vlastnosťami, vďaka čomu je vhodný pre mnohé rôzne aplikácie. Karbid kremíka sa využíva v aplikáciách siahajúcich od dielov odolných proti opotrebeniu a brúsnych materiálov vďaka svojej tvrdosti, cez žiaruvzdorné materiály a keramiku vďaka svojej odolnosti voči teplu a nízkej tepelnej rozťažnosti, až po elektroniku, kde sa využíva jeho schopnosť viesť elektrinu pri extrémnych teplotách.

SiC je účinný tepelný vodič vďaka svojej kubickej kryštálovej štruktúre podobnej diamantu, v ktorej je polovica atómov nahradená kremíkom, čo zabezpečuje vynikajúcu tepelnú vodivosť. SiC sa vyznačuje efektívnou energetickou medzerou, ktorá umožňuje elektrónom ľahko sa pohybovať medzi valenčným a vodivým pásmom, na rozdiel od izolátorov, kde prekonanie tejto medzery medzi pásmami vyžaduje nadmerné množstvo energie.

Kryštálová štruktúra SiC môže nadobúdať rôzne formy, známe ako polytpy. Každý polytp sa skladá z vrstiev usporiadaných v špecifických sekvenciách, ktoré vedú k jedinečnému usporiadaniu atómov – vďaka tomu má SiC mimoriadne vysokú mernú tepelnú kapacitu a nízky koeficient tepelnej rozťažnosti.