كربيد السيليكون الموصلية الحرارية

كربيد السيليكون هو أحد أكثر المواد الخزفية المتقدمة صلابة ومتانة. ويمكنه الحفاظ على قوته في درجات الحرارة العالية مع توفير مقاومة ضد الأحماض والقلويات والأملاح المنصهرة.

يُنتج سيكلوريد الفينيل الممغنط CVD، الذي يتم إنتاجه من خلال الترسيب الكيميائي للبخار، وهو شكل نقي للغاية مع توصيل حراري أعلى من سيكلوريد الفينيل الملبد أو المترابط بالتفاعل.

إنها أشباه موصلات

كربيد السيليكون (SiC) هو شبه موصل غير عضوي ذو بنية سداسية وروابط تساهمية قوية. ويتألف تركيبه الكيميائي من ثلاث ذرات سيليكون مرتبطة بذرة كربون واحدة، مما يجعله مادة مرنة للغاية قادرة على تحمل درجات الحرارة والجهود العالية، إلى جانب مجالات كهربائية أقوى من السيليكون التقليدي. ويمكن لمادة SiC أن تتحمل درجات حرارة أعلى من نظيرتها القائمة على السيليكون بسبب فجوة النطاق الواسعة.

في درجات الحرارة المرتفعة، فهي مقاومة للهجوم الكيميائي في حين أن معامل يونغ العالي يجعلها مناسبة تمامًا لتطبيقات إلكترونيات الطاقة. وتتيح خسائر التبديل المنخفضة ووقت الاسترداد العكسي السريع إمكانية تشغيل الفولتية العالية مع الحد الأدنى من خسائر التبديل لسرعات تبديل سريعة؛ مما يجعل هذا الجهاز بديلاً ممتازًا لترانزستورات IGBT أو الترانزستورات ثنائية القطب في التطبيقات التي تتطلب جهد انهيار عالٍ.

وفي الآونة الأخيرة، أبلغ فريق من جامعة ميريلاند عن قيم توصيل حراري متساوي الخواص في درجة حرارة الغرفة ذات مستوى قياسي لبلورات 3C-SiC السائبة على نطاق الرقاقة الكثيفة في درجة حرارة الغرفة؛ وهذه النتائج أعلى من 50% من 6H-SiC وAlN المتوفرين تجاريًا. وتُعزى الموصلية المعززة إلى محتوى وفير من الجرافين النانوي المحاذي لمحاور ضغط SPS الموازية والعمودية على محاور ضغط SPS داخل مادة المصفوفة.

تتفوق كربيد السيليكون في تبديد الحرارة، مما يحد من درجة حرارة التشغيل القصوى والجهد الكهربائي. وبفضل مقاومته للتآكل والصدمات الحرارية بالإضافة إلى قوته الميكانيكية العالية ومعامل التمدد المنخفض، يستخدم كربيد السيليكون منذ فترة طويلة كدعامات لأدراج الرقائق والمجاذيف في أفران أشباه الموصلات وكذلك يستخدم في أجهزة التحكم في درجة الحرارة والمتغيرات على التوالي.

إنه عازل

يُستخدم كربيد السيليكون (SiC) منذ فترة طويلة كمادة شبه موصلة في الأجهزة الإلكترونية. فهي مادة صلبة وقوية ومتينة؛ ومقاومة للتآكل؛ ولها نقطة انصهار عالية؛ ويمكنها تحمل الفولتية ودرجات الحرارة العالية؛ مما يجعلها مناسبة للاستخدام في التطبيقات الصناعية. يمكن العثور على كربيد السيليكون بشكل طبيعي في جواهر المويسانيت وكذلك كميات صغيرة موجودة داخل النيازك ورواسب الكوراندوم والكمبرلايت؛ ومع ذلك فإن معظم كربيد السيليكون الذي يباع في جميع أنحاء العالم يتم تصنيعه صناعياً.

يتميز كربيد السيليكون من بين السيراميك بامتلاكه التوصيل الكهربائي والحراري. وبسبب متانته الفيزيائية، ومعدل تمدده الحراري المنخفض، ومقاومته للأحماض والليزر، أصبح كربيد السيليكون خياراً مفضلاً للمواد في التطبيقات الهندسية القصوى مثل محامل المضخات، والصمامات، وحاقنات السفع الرملي، وقوالب البثق وغيرها. بالإضافة إلى ذلك، فإن خصائصه شبه الموصلة تجعله مناسبًا للأجهزة الإلكترونية مثل الثنائيات والترانزستورات.

ابتكر العلماء تقنية تستخدم الكربون لتكوين مركب مع SiC. ويمكن بعد ذلك استخدام هذا المركب كمادة عازلة، مما ينتج عنه جسم متكلس من السيليكون ذو ثابت عازل كهربائي أقل. وقد يثبت هذا الحل أنه أكثر كفاءة من المادة الرابطة التقليدية، التي تتميز بقيم ثابتة عازلة أعلى بكثير مما يجعلها غير مناسبة للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية؛ بالإضافة إلى أن طبيعتها الأكثر ثباتًا تتحمل التعرض المتكرر للجهود العالية دون ضرر.

إنه صلب

كربيد السيليكون مادة صلبة عالية التوصيل الحراري للغاية. ونظرًا لانخفاض معامل التمدد والصلابة، فإن كربيد السيليكون يعتبر خيارًا ممتازًا للمواد عند تعرضها لدرجات حرارة قصوى؛ ومن أمثلة ذلك مرايا التلسكوبات. وعلاوة على ذلك، فإن مقاومته للتآكل والتآكل تجعله مناسبًا لمواد البناء.

يمكن أن تُعزى الموصلية الحرارية الفائقة لكربيد السيليكون إلى درجة حرارة ديبي العالية، والتي تسمح للفونونات بالتحرك بحرية عبر بلوراته. وعندما يقترن ذلك بدرجة حرارة التشغيل المسموح بها وتيارات التشبع العالية للإلكترونات، يثبت كربيد السيليكون تفوقه على أشباه الموصلات الكلاسيكية في العديد من التطبيقات المهمة.

يمكن تغيير بنية كربيد السيليكون الأحادي البلورة من خلال التطعيم بعناصر مختلفة لإنتاج أشباه موصلات متعددة البلورات من أنواع مختلفة، بما في ذلك التطعيم بالنيتروجين أو الفوسفور للتطعيم من النوع n، والتطعيم بالبريليوم أو البورون أو الألومنيوم للتطعيم من النوع p؛ وتُعرف مادة كربيد السيليكون المطعّمة هذه بأشباه الموصلات المركبة.

يستخدم كربيد السيليكون في العديد من الاستخدامات الصناعية، من أدوات القطع والطحن إلى الدهانات والأصباغ. حتى أنه يُستخدم في الطباعة بالكاربوروندوم - وهو شكل فني من أشكال الطباعة على الكولاجراف، حيث يتم وضع حبيبات الكاربوروندوم مباشرة على لوح من الألومنيوم ثم يتم تحبيره بالحبر، مما يعطي انطباعًا بعلامات مرسومة يتم ضغطها على الورق باستخدام الضغط من ألواح الطباعة بالكولاجراف. وعلاوة على ذلك، يمكن أيضاً استخدام كربيد السيليكون في التسامي المتحكم فيه بالحبس لإنتاج أغشية جرافين عالية الجودة بكثافة مذهلة تفوق أي مادة أخرى تُستخدم في عمليات إنتاج التسامي والتي ينتج عنها طبقات جرافين كثيفة ذات خصائص رائعة.

إنه سائل

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة خزفية شديدة الصلابة. وتحتل المرتبة الثالثة بعد الماس ونتريد البورون المكعب على مقياس موس من حيث الصلابة. يمكن العثور على كربيد السيليكون (SiC) المستخدم كمادة للأدوات الكاشطة ومواد طلاء السترات الواقية من الرصاص، ويمكن أن تنتج المصنوعات المصنوعة عن طريق الطحن والتلبيد منتجات فائقة الصلابة بمستوى صلابة 9 على مقياس موس - أكثر مقاومة للصدمات من أكسيد الألومنيوم ولكن أقل صلابة من كربيد التنجستن.

المواد الحرارية المتاحة تجارياً هي الأخف والأقسى بين الخيارات المتاحة. وهي قادرة على تحمل درجات حرارة تتراوح من -700 إلى 1400 درجة مئوية، وهي مقاومة للغاية للتآكل مع امتلاكها لمعدلات تمدد حراري منخفضة وقوة ميكانيكية عالية وخصائص قصور كيميائي تجعلها مناسبة للمصانع الكيميائية والمطاحن والموسعات وأجهزة البثق.

يمكن تشكيل كربيد السيليكون إلى كميات أصغر عن طريق الكبس الجاف حسب الحجم أو تلبيدها في فرن تفريغ، على الرغم من أن الأشكال الملبدة مفضلة بسبب خواصها الفيزيائية الأكبر وطرق الإنتاج الأقل اقتصاداً من طرق التشغيل الآلي. يجب تلبيد SiC المسامي باستخدام مادة رابطة كثيفة لزيادة الخصائص الفيزيائية إلى أقصى حد مع منع تكوين هياكل الخلايا التي من شأنها أن تتشقق أو تتحطم لاحقًا؛ كما أن هذه الطرق أكثر اقتصادا من طرق المعالجة الآلية. وبدلاً من ذلك، يمكن أيضًا إنتاج أحجام أكبر من خلال ترسيب البخار الكيميائي من المسحوق.