كربيد السيليكون - السيراميك الأخف وزنًا والأكثر صلابة وتوصيلًا للحرارة

يُعد كربيد السيليكون من أخف المواد الخزفية وأصلبها وأكثرها توصيلًا للحرارة المتوفرة حاليًا. فهو يحافظ على قوته في درجات الحرارة المرتفعة، كما يتمتع بمقاومة عالية للأحماض والقلويات.

المويسانيت الطبيعي نادر للغاية؛ ولذلك فإن معظم مادة SiC المتوفرة تجاريًا يتم إنتاجها صناعيًّا. وهي تتوفر إما في شكل خضراء أو على شكل بسكويت لتصنيعها إلى أشكال معقدة، أو في شكل ملبد ومربوط تفاعليًّا لاستخدامات الربط الملبد.

الموصلية الحرارية (k)

تتيح الموصلية الحرارية الممتازة لكربيد السيليكون التعامل بفعالية مع الحرارة الشديدة التي تولدها مكونات إلكترونيات الطاقة، مع تبديد الحرارة الناتجة عن تأثير جول بسبب المقاومة الداخلية وفقدان الطاقة الناتج عن التوصيل. علاوة على ذلك، فإن معامل التمدد الحراري المنخفض وصلابته يجعلانه مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات البصرية مثل المرايا المستخدمة في التلسكوبات الفلكية الضخمة.

كربيد السيليكون (SiC) هو بلورة فونونية تُظهر اعتمادًا قويًّا لمدى الحرارة على الموصلية الحرارية (k). وقد تصل قيم الموصلية الحرارية للبلورات الأحادية النقية من SiC عند درجة حرارة الغرفة إلى ما يزيد عن 490 واط م⁻¹ كلفن⁻¹؛ أما في سيراميك كربيد السيليكون متعدد البلورات، فتكون القيم أقل بكثير بسبب شوائب الشبكة البلورية والعيوب الهيكلية عند حدود الحبيبات، وكذلك في كربيد السيليكون المعالج بالليزر (LPSed) مع إضافات تحتوي على الألومنيوم، حيث يسمح ذلك لذرات الألومنيوم بالانحلال في حبيبات كربيد السيليكون وتشكيل محاليل صلبة أو أطوار ثانوية ذات موصلية منخفضة.

تتميز بلورات 3C-SiC السائبة القائمة بذاتها على نطاق الرقاقة، التي تم الإبلاغ عنها في هذه الدراسة، بقيم k متناحية تتجاوز 500 واط/م-1 كلفن-1، وهي أعلى بأكثر من 50% من مواد 6H-SiC وAlN المتوفرة تجاريًّا، وتحتل المرتبة الثانية بين المواد البلورية الكبيرة. ويمكن أن تُعزى قيم k العالية داخل المستوى إلى المسارات الحرة المتوسطة القصيرة للفونونات التي تم قياسها باستخدام قياسات TDTR؛ كما أن اعتمادها غير المتناسق على درجة الحرارة يدعم بشكل إضافي التلوث القوي لهذه البلورات.

الموصلية الحرارية (T)

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب كيميائي غير عضوي يتكون من السيليكون والكربون. يوجد كربيد السيليكون (SiC) بشكل طبيعي كمعدن نادر يُعرف باسم المويسانيت، ويتم تصنيعه صناعيًا منذ عام 1893 في شكل مسحوق وبلورة أحادية لاستخدامه كمواد كاشطة وفي تطبيقات الألواح الخزفية لأفران أشباه الموصلات ذات الضغط/الحرارة العالية، مثل دعامات صواني الرقائق/المجاذيف وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، أدت نقاوته الكيميائية ومقاومته للتأثيرات الحرارية وقوته عند درجات الحرارة المرتفعة إلى انتشار استخدامه على نطاق واسع في الأجهزة الكهربائية مثل المقاومات المتغيرة حسب درجة الحرارة (المقاومات المتغيرة حسب درجة الحرارة، أو الفاريستورات، وما إلى ذلك).

يتميز سيليكون الكربيد (SiC) عن السيراميك الصناعي مثل الألومينا والزركونيا وثاني أكسيد التيتانيوم بفضل موصلية حرارية عالية نسبيًا. وعند قياس موصلية حرارية بلورة أحادية نقية من سيليكون الكربيد في درجة حرارة الغرفة، فإن قيمتها تقع تقريبًا بين قيم الماس والنحاس، وهي أعلى بكثير من موصلية السيليكون.

غالبًا ما يُشار إلى مادة SiC باعتبارها بلورة فونونية نظرًا لأنماط اهتزازها المميزة. وبفضل المسار الحر المتوسط المنخفض والفونونات ذات الطول الموجي القصير، فإن موصلية هذه المادة الحرارية تجعلها واحدة من أسرع المواد في نقل الحرارة. ومع ذلك، يمكن أن تنخفض موصلية هذه المادة الحرارية بسبب الشوائب والعيوب الهيكلية الموجودة داخلها، وقد تم إثبات ذلك تجريبياً؛ ويمكن نمذجة هذا التأثير باستخدام نموذج كالاواي-هولاند الذي يأخذ في الاعتبار المقاومة الحرارية الناتجة عن تضييق الفتحات.

الموصلية الحرارية (T2)

يُعد كربيد السيليكون من أخف المواد الخزفية وأصلبها وأكثرها توصيلًا للحرارة المتوفرة حاليًا. وهو خامل كيميائيًا تجاه الأحماض والقلويات والأملاح المنصهرة؛ ويتمتع بمقاومة عالية للتآكل عند درجات حرارة مرتفعة للغاية؛ كما يتميز بقوة فيزيائية استثنائية، فضلاً عن خصائص منخفضة في التوصيل الحراري ومعامل التمدد، مما يجعل كربيد السيليكون مناسبًا للعديد من التطبيقات في درجات الحرارة المرتفعة.

يُعد سيليكون الكربيد (SiC) المادة المثالية للاستخدام في تطبيقات إلكترونيات الطاقة عالية القدرة، والإلكترونيات الضوئية، والحوسبة الكمومية، وذلك بفضل بنيته البلورية البسيطة ومعدل الحرارة النوعية المرتفع بشكل استثنائي؛ ومع ذلك، فإن التدفق الحراري الموضعي الناتج عن هذه التقنيات قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجهاز وتدهور أدائه، مما يجعل إدارة الحرارة تحديًا مستمرًا.

وبالتالي، فإن وجود واجهة حرارية عالية التوصيلية يعد عاملاً أساسياً لأداء الأجهزة المصنوعة من مادة SiC. ونظراً للترتيب الذري الذي يتخذ شكل عظم السمكة في مادة 3C-SiC، فإن المسار الحر المتوسط للفونونات (MFP) المرتفع بشكل استثنائي يتيح لها توصيلية حرارية فائقة مقارنةً بأشباه الموصلات التقليدية.

وتعد الموصلية الحرارية العالية لـ SiC المُنتج بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) أكثر إثارة للإعجاب؛ حيث يتم إنتاجه من خلال الترسيب الكيميائي للبخار ويتميز ببنية متعددة البلورات مكعبة مركزية الوجوه عالية النقاء، وقد أُفيد أن موصليةه الحرارية تصل إلى ضعف موصلية SiC المُتكتل أو المُربوط تفاعليًّا؛ في الواقع، يُعد SiC المُنتج بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) من المواد ذات أعلى مستويات الموصلية الحرارية بين المواد المُنتجة صناعيًا.

الموصلية الحرارية (T3)

كربيد السيليكون مادة خزفية شديدة الصلابة ومقاومة للمواد الكيميائية، وتتميز بخصائص ممتازة في التوصيل الحراري ومقاومة الصدمات الحرارية، مما يجعلها مناسبة للاستخدامات التي تتطلب درجات حرارة عالية مثل تصنيع أشباه الموصلات. ونظرًا لهذه الخصائص، فقد استُخدم منذ فترة طويلة في تطبيقات في صناعات المعادن والمواد المقاومة للحرارة والسيراميك وأشباه الموصلات، حيث يتميز بصلابة فائقة ومقاومة للتعب، فضلاً عن خصائص الخمول الكيميائي.

لا يمكن العثور على المويسانيت في الطبيعة إلا بكميات ضئيلة جدًّا في أنواع معينة من النيازك ورواسب الكوراندوم، ومع ذلك يتم إنتاجه تجاريًّا في الأفران. ويمكن تصنيع هذه المادة كيميائيًّا باستخدام تقنيات متنوعة — على سبيل المثال عن طريق إذابة الكربون في السيليكا المنصهرة، أو صهر الطين (سيليكات الألومنيوم)، مسحوق فحم الكوك ومزيج مسحوق فحم الكوك، أو إذابة الكربون في السيليكا السائلة، أو صهر مزيج من الطين (سيليكات الألومنيوم) مع مسحوق فحم الكوك؛ كما يُنتج أيضًا من خلال احتراق مزيج السيليكون والكربون في أفران كهربائية، مما يمنحه نطاق ألوانه الطبيعي الذي يتراوح من البني الداكن إلى الأسود، ولكن يمكن أيضًا صبغه باللون الأزرق لبيعه كحجر كريم يُسمى المويسانيت.

يتميز مادة 3C-SiC بموصلية حرارية عالية نسبيًا تبلغ حوالي 620 وات/م·ك، أي ما يقارب عشرة أضعاف موصلية الماس. ويمكن أن يُعزى ذلك إلى معدل التشتت السطحي المنتشر المنخفض نسبيًا، والذي يحد من معدل انتقال الفونونات (MFP) كما هو موضح في الشكل 4. بالإضافة إلى ذلك، تم رسم توزيعات الأغشية والأسلاك النانوية المقاسة هنا مقابل أبعادها الحدية لإظهار أنها تتطابق مع القيم التي تم الحصول عليها من خلال الدوال التراكمية لمعدل انتقال الفونونات (MFP) في الكتلة41 و42.