Struktura in uporaba silicijevega karbida

Silicijev karbid ali SiC je izjemno močan in trpežen material z nekaterimi edinstvenimi električnimi lastnostmi.

Kristalni ogljik kristalizira v gosto zapakirane strukture, ki so med seboj kovalentno povezane. Njegovi atomi tvorijo dva primarna koordinacijska tetraedra s štirimi ogljikovimi in štirimi silicijevimi atomi v vsakem vogalu, ki se prek svojih vogalov povežejo v politipske strukture, imenovane politipi.

Fizikalne lastnosti

Silicijev karbid je izredno trd material z Mohsovo trdoto med 9 in 10, kar je nekje med aluminijevim oksidom in diamantom. Silicijev karbid se pogosto uporablja kot abrazivni material v sodobnem lapidariju, pri brušenju in strojni obdelavi, kot ognjevzdržna obloga za industrijske peči, rezalna orodja, obrabno odporni deli črpalk in raketnih motorjev ter obrabno odporni trak za oprijem na skateborde, pa tudi za tiskanje karborunda - postopek nanašanja karborundovih zrn na aluminijasto ploščo in nato tiskanje na papir z uporabo tiskarskih strojev z valjčnimi ležaji (Mountain).

Sintetične polikarbonate je mogoče sintetično izdelati z reakcijskim spajanjem ali sintranjem, pri čemer se slednje izboljša z dodajanjem 0,5% ogljika ali 0,5% bora kot pripomočka za sintranje, da se prepreči površinska difuzija in spremeni energija na meji zrn (Mountain).

SiC je impresivna industrijska keramika z različnimi mehanskimi lastnostmi, zaradi katerih je neprecenljiva v različnih industrijskih okoljih. Zaradi visoke toplotne prevodnosti in nizke stopnje toplotnega raztezanja je njegova uporaba v močnostni elektroniki za pogonske sisteme kopenskih električnih vozil bolj razširjena kot kdaj koli prej. Poleg tega bi lahko električne lastnosti SiC-ja nadomestile tradicionalne silicijeve polprevodnike tudi v visokonapetostnih aplikacijah, kot so vlečni pretvorniki za električna vozila in DC/DC pretvorniki za polnilne postaje.

Kemijske lastnosti

Silicijev karbid se lahko dopira z dušikom in fosforjem, da nastanejo polprevodniki tipa n, medtem ko se lahko berilij, bor, aluminij in galij dopirajo v polprevodnike tipa p. Silicijev karbid je zaradi svoje tesno zapakirane in simetrične strukture idealna platforma za dopiranje.

Ognjevzdržni material je trd, krhek in toplotno prevoden. Odporen je na visoke temperature in napetosti, njegov nizek koeficient toplotnega raztezanja pa predstavlja prednost pri uporabi v aplikacijah, ki so izpostavljene temperaturnim spremembam.

Čeprav je naravni moissanit (Csi3SiO6) mogoče najti v meteoritih in kimberlitu, je večina silicijevega karbida, ki se danes prodaja, sintetičnega. Na voljo je v različnih oblikah, od zelenih do črnih kristalnih zrn do šestpalčnih rezin SiC, ki se uporabljajo v močnostni elektroniki, in je kemično inerten, saj je odporen proti koroziji organskih kislin in lugov, razen fluorovodikove in žveplove kisline; ni topen v vodi ali drugih topilih, vendar je topen v staljenih lugih, kot sta NaOH ali KOH.

Električne lastnosti

Silicijev karbid (SiC) je polprevodniški material, ki se nahaja med kovinami (ki prevajajo elektriko) in izolatorji (ki je ne prevajajo). Električne lastnosti SiC so odvisne od temperature in nečistoč v njegovi sestavi: pri nizkih temperaturah deluje kot izolator, pri višjih temperaturah pa postane njegova prevodnost opazna. Prevodnost SiC je mogoče še izboljšati z dodajanjem primesi aluminija, bora ali galija, ki povečajo število prostih nosilcev naboja in SiC spremenijo v polprevodnik tipa P.

Zaradi kombinacije fizikalnih in kemijskih lastnosti je glina privlačen material v različnih industrijah, od keramičnih plošč, ki povečujejo odpornost proti obrabi in zavorno trdnost, do visoke toplotne prevodnosti in nizkega koeficienta raztezanja, ki omogočata uporabo pri visokih temperaturah.

Poleg tega njegova edinstvena pasovna vrzel omogoča delovanje pri višjih napetostih in frekvencah kot tradicionalna elektronika na osnovi silicija, zato je odličen material za energetske naprave, kot so diode, tranzistorji in tiristorji.

Toplotne lastnosti

Silicijev karbid (SiC) je anorganska keramika z odličnimi toplotnimi lastnostmi, zato je primerna za številne različne aplikacije. Silicijev karbid se zaradi svoje trdote uporablja v različnih aplikacijah, od delov, odpornih proti obrabi, in abrazivov, v ognjevzdržnih materialih in keramiki zaradi odpornosti na toploto in nizkega toplotnega raztezka ter v elektroniki, kjer ima sposobnost prevajanja električne energije pri ekstremnih temperaturah.

SiC je učinkovit toplotni prevodnik zaradi svoje diamantno kubične kristalne strukture, v kateri je polovica atomov nadomeščena s silicijem, kar zagotavlja odlično toplotno prevodnost. SiC ima učinkovito pasovno vrzel, ki elektronom omogoča enostavno prehajanje med valenčnim in prevodnim pasom v primerjavi z izolatorji, ki potrebujejo prevelike količine energije, da elektroni prečkajo to vrzel med pasovi.

Kristalna struktura SiC-a je lahko v različnih oblikah, imenovanih politipi. Vsak politip je sestavljen iz plasti, ki so zložene v posebnih zaporedjih zlaganja, zaradi česar je razporeditev atomov edinstvena - zaradi tega ima SiC izjemno visoko specifično toploto in nizek koeficient toplotnega raztezanja.