Η αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα ελαφρύτερα και σκληρότερα κεραμικά υλικά, που αντιστέκεται με ευκολία στη διάβρωση, την τριβή και τη φθορά λόγω τριβής. Επιπλέον, οι ημιαγώγιμες ιδιότητές του το καθιστούν κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής τάσης, όπως τα ηλεκτρονικά ισχύος στα ηλεκτρικά οχήματα.

Η αγωγιμότητα του SiC μπορεί να αυξηθεί μέσω της πρόσμιξης αζώτου ή φωσφόρου για ημιαγωγούς τύπου n και αλουμινίου, βορίου ή γαλλίου για ημιαγωγούς τύπου p. Επιπλέον, είναι ένα εξαιρετικά θερμικά αγώγιμο υλικό.

Bandgap

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια ισχυρή χημική ένωση εξαγωνικής δομής με ιδιότητες ημιαγωγού με ευρύ χάσμα ζώνης. Αυτό καθιστά το SiC έναν εξαιρετικό υποψήφιο για ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, υψηλότερες τάσεις φραγής, χαμηλότερες απώλειες μεταγωγής σε σχέση με τις διατάξεις πυριτίου και ευρύτερα χάσματα ζώνης που επιτρέπουν λεπτότερες κατασκευές που αυξάνουν την πυκνότητα ισχύος.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να γίνει ηλεκτρικά αγώγιμο μέσω της πρόσμιξής του με άλλα στοιχεία, η οποία είναι μια δημοφιλής πρακτική στη βιομηχανία ημιαγωγών. Η πρόσμιξη αυξάνει την αγωγιμότητα, την αντοχή στη θερμοκρασία και την ακρίβεια της κατεργασίας - για παράδειγμα, με την προσθήκη ενός προσμίγματος τύπου n, όπως το άζωτο ή ο φώσφορος, το οποίο αυξάνει τη συνδεσιμότητα ηλεκτρονίων και οπών εντός της κρυσταλλικής δομής του και συνεπώς την αγωγιμότητα.

Μια άλλη μέθοδος για την αύξηση της αγωγιμότητας του καρβιδίου του πυριτίου είναι η πρόσμιξη, ή η διαδικασία προσθήκης προσμίξεων στην κρυσταλλική δομή του, για την ενίσχυση της αγωγιμότητας. Η πρόσμιξη μπορεί να μεταβάλει ιδιότητες όπως το χάσμα ζώνης και η θερμική αγωγιμότητα. Για παράδειγμα, η πρόσμιξη με πρόσμιξη τύπου n μειώνει το μέγεθος του χάσματος ζώνης του, ώστε τα ηλεκτρόνια να μπορούν να το διασχίσουν ευκολότερα σε περιοχές του χάσματος ζώνης του που αυξάνουν την αγωγιμότητα - αυξάνοντας έτσι την αγωγιμότητα.

Το χάσμα ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου μπορεί επίσης να μειωθεί αυξάνοντας την περιεκτικότητά του σε άνθρακα ή αντικαθιστώντας ορισμένα άτομα οξυγόνου με υδρογόνο, δεδομένου ότι ο άνθρακας έχει χαμηλές ενέργειες σύνδεσης με το πυρίτιο, ενώ η ενέργεια σύνδεσης μεταξύ πυριτίου και οξυγόνου είναι σημαντικά μεγαλύτερη από ό,τι μεταξύ πυριτίου και ατόμων αζώτου.

Το χάσμα ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου είναι τρεις φορές μεγαλύτερο από το πυρίτιο, καθιστώντας το ένα εξαιρετικό υλικό για εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος. Το ευρύ χάσμα ζώνης του επιτρέπει να αντέχει πολύ υψηλότερες τάσεις και συχνότητες μεταγωγής σε σύγκριση με το πυρίτιο, ενώ μπορεί επίσης να αντέξει σε υψηλές θερμοκρασίες, κάτι που είναι απαραίτητο σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές.

Το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει εξαιρετικά υψηλή εγγενή ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία μπορεί να ενισχυθεί μέσω της πρόσμιξης με προσμίξεις είτε τύπου n είτε τύπου p. Είναι συνήθως σκληρό και εύθραυστο υλικό με άχρωμες αποχρώσεις. Οι φυσικές πηγές SiC είναι περιορισμένες: περιστασιακά ανακαλύπτονται πολύτιμοι λίθοι μοισσανίτη, καθώς και μικρές ποσότητες σε μετεωρίτες και κοιτάσματα κορούνδιο- το μεγαλύτερο μέρος του εμπορικού SiC παρασκευάζεται συνθετικά.

Θερμική αγωγιμότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα απαραίτητο υλικό στα ηλεκτρονικά ισχύος, την οπτοηλεκτρονική και τις εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών1. Οι τοπικές ροές θερμότητας μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά την απόδοσή τους αυξάνοντας γρήγορα τις θερμοκρασίες - γεγονός που καθιστά την υψηλή θερμική αγωγιμότητα απαραίτητη στα ηλεκτρονικά συστήματα που βασίζονται στο SiC.

Το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει σημαντικά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τον χαλκό, το πιο διαδεδομένο μέταλλο. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στους ισχυρούς ατομικούς δεσμούς και τη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος του SiC. Ωστόσο, παρά την ανώτερη αυτή θερμική αγωγιμότητα, έχει ασυνήθιστα χαμηλή ειδική θερμοχωρητικότητα σε σύγκριση με άλλα υλικά- περίπου 170 J/Kg, περίπου το μισό από αυτό του χαλκού.

Μελέτες που έχουν διεξαχθεί στο παρελθόν έχουν δείξει ότι η θερμική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη μικροδομή και τη σύσταση των φάσεών του, ιδίως σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Οι μέσες ελεύθερες διαδρομές των φωνονίων στο άτακτο SiC είναι μικρότερες από ό,τι στις διατεταγμένες φάσεις.

Πρόσφατα, πραγματοποιήσαμε εκτεταμένες αναλύσεις σχετικά με την εξάρτηση της θερμικής αγωγιμότητας από τη συχνότητα δειγμάτων SiC χύδην και λεπτών υμενίων χρησιμοποιώντας μετρήσεις μεταβατικής θερμικής ανάκλασης. Παρατηρήσαμε ότι τόσο τα ατακτοποιημένα όσο και τα καθαρά δείγματα 3C-SiC παρουσίασαν μειώσεις συναρτήσει της συχνότητας - η τάση αυτή ήταν ιδιαίτερα ισχυρή για τα φωνόνια χαμηλότερης συχνότητας.

Το φαινόμενο αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την ισχυρότερη επιφανειακή σκέδαση φωνονίων που προκαλούν οι ατέλειες βορίου σε σχέση με τις κενές θέσεις, με την καταστολή της θερμικής αγωγιμότητας να παίζει ουσιαστικό ρόλο στη βελτίωση της θερμικής διαχείρισης για μικροηλεκτρονικά με βάση το SiC.

Το καρβίδιο του πυριτίου, ένα από τα ελαφρύτερα και σκληρότερα κεραμικά υλικά, συνδυάζει άτομα άνθρακα και πυριτίου σε τετράεδρα για να σχηματίσει ένα εξαιρετικά σκληρό και ανθεκτικό υλικό που αντιστέκεται στη διάβρωση, την τριβή, τη διάβρωση και την ηλεκτροπληξία. Χάρη στο υψηλό μέτρο ελαστικότητας του Young και τους χαμηλούς ρυθμούς θερμικής διαστολής του, αποτελεί ένα εξαιρετικό δομικό υλικό- χρησιμοποιείται σε θερμοκρασίες έως 1600 βαθμούς Κελσίου χωρίς να χάνει αντοχή ή ακαμψία και αντέχοντας με ευκολία οξέα, αλκάλια και λιωμένα άλατα, χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό σε μύλους και διαστολείς χημικών εργοστασίων - για να μην αναφέρουμε καθρέφτες για αστρονομικά τηλεσκόπια!

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, συμπεριφέρεται σαν μονωτής και αντιστέκεται στη ροή του ηλεκτρισμού, αλλά καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται, αρχίζει να συμπεριφέρεται περισσότερο σαν ημιαγωγός και να επιτρέπει την ευκολότερη διέλευση του ηλεκτρισμού, γεγονός που οφείλεται στο ότι έχει μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα ζώνης, το οποίο επιτρέπει σε περισσότερα ηλεκτρόνια να διεγείρονται και να κινούνται σε όλο το υλικό.

Η πρόσμιξη καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να βοηθήσει να ξεπεραστούν οι μονωτικές του ιδιότητες μέσω της προσθήκης προσμίξεων που δημιουργούν ελεύθερους φορείς φορτίου, όπως ηλεκτρόνια και οπές, δημιουργώντας περισσότερους ελεύθερους φορείς φορτίου, όπως ηλεκτρόνια και οπές, που κινούνται ελεύθερα μέσα στην κρυσταλλική δομή του. Με την πρόσμιξη, το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να γίνει είτε μονωτής είτε ημιαγωγός- η πρόσμιξη με αλουμίνιο ή γάλλιο θα του προσδώσει ιδιότητες ημιαγωγού τύπου P, ενώ η προσθήκη αζώτου ή φωσφόρου θα δημιουργήσει ιδιότητες ημιαγωγού τύπου N.

Το ανώτερο ενεργειακό χάσμα του καρβιδίου του πυριτίου επιτρέπει τη χρήση του σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερες τάσεις, όπως γεννήτριες υψηλής τάσης και τρανζίστορ ισχύος. Το καρβίδιο του πυριτίου επιτρέπει υψηλότερες τάσεις επειδή το ενεργειακό χάσμα του χάσματος ζώνης του υπερβαίνει άλλα ημιαγώγιμα υλικά, όπως το πυρίτιο.

Αξιοσημείωτο είναι επίσης ότι η θερμική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου μεταβάλλεται ανάλογα με την πυκνότητά του- όσο αυξάνεται η πυκνότητα, τόσο αυξάνεται και η θερμική αγωγιμότητά του, λόγω της αυξημένης κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων μέσα στη δομή του, που οδηγεί σε μεγαλύτερη απαγωγή θερμότητας μέσω των δονήσεων των φωνονίων.

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει από τη φύση του χαμηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα- ωστόσο, η αγωγιμότητά του μπορεί να αυξηθεί με την προσθήκη προσθέτων όπως ο άνθρακας και το βόριο κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης. Ο άνθρακας μπορεί να αλλάξει τη δομή του ώστε να επιτρέπει σε περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται μέσα από αυτό, ενώ η προσθήκη βορίου μπορεί να αυξήσει τον συντελεστή Seebeck και συνεπώς να μειώσει την ενέργεια ενεργοποίησης, με αποτέλεσμα την περαιτέρω βελτίωση της αγωγιμότητας.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να αξιοποιηθεί περαιτέρω με τη χρήση του ως μέρος σύνθετων δομών με μέταλλα ή κεραμικά, ιδίως σε αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης, όπου τα δομικά στοιχεία θα χρησιμοποιηθούν ως κουβέρτες υγρού μετάλλου που δημιουργούν μαγνητικά πεδία για τη συγκράτηση του πλάσματος. Η χαμηλή ηλεκτρική και θερμική αντίσταση είναι απαραίτητη σε αυτές τις περιπτώσεις για την ελαχιστοποίηση των μαγνητοϋδροδυναμικών φαινομένων που προκαλούνται από το υγρό μέταλλο που ρέει πάνω και γύρω από τις σύνθετες δομές.

Εφαρμογές

Η αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά απαραίτητο υλικό σε διάφορες εφαρμογές, από την παραδοσιακή αντικατάσταση των ημιαγωγών έως τα εξαρτήματα αυτοκινήτων και την αλεξίσφαιρη θωράκιση. Για παράδειγμα, η ηλεκτρική του αγωγιμότητα του επιτρέπει να εξυπηρετεί διάφορες χρήσεις. Η χημική σταθερότητα του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά επίσης εξαιρετικά ανθεκτικό - ιδανικό για περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, όπως οι εγκαταστάσεις κατασκευής ημιαγωγών.

Η αγωγιμότητα του SiC καθορίζεται από το χάσμα ζώνης του. Αυτό αναφέρεται στη διαφορά ενέργειας που απαιτείται για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας ή από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Τα υλικά με ευρύ χάσμα ζώνης θεωρούνται ημιαγωγοί, ενώ τα στενά λειτουργούν ως μονωτές- το καθαρό καρβίδιο του πυριτίου λειτουργεί ως μονωτής, αλλά με ορισμένες προσμίξεις μπορεί να παρουσιάζει ημιαγωγικές ιδιότητες.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να δημιουργηθεί με θέρμανση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες παρουσία άνθρακα. Ο Edward C. Acheson πρωτοστάτησε σε αυτή την τεχνική το 1891, εγχέοντας πηλό με σκόνη κοκ, χρησιμοποιώντας ηλεκτρική θερμότητα από μια λυχνία τόξου και ηλεκτρικούς θερμαντήρες, μέχρι που τελικά παρήγαγε μια σκληρή πράσινη ουσία με αρκετή αντοχή για να γρατζουνίσει το γυαλί, την οποία ονόμασε καρβορουνδίου.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να βρεθεί τόσο στη φύση σε πετρώματα όπως ο διορίτης και ο μοισσανίτης όσο και να παραχθεί συνθετικά. Το υλικό διαθέτει δύο πρωταρχικά τετράεδρα συντονισμού που αποτελούνται από τέσσερα άτομα άνθρακα και τέσσερα άτομα πυριτίου συνδεδεμένα μεταξύ τους σε κάθε τετράεδρο- αυτά τα τετράεδρα στη συνέχεια στοιβάζονται για να σχηματίσουν πολυτύπους - με τον άλφα πολυτύπο να συναντάται συχνά με εξαγωνικές κρυσταλλικές δομές παρόμοιες με τον Wurtzite ως την πιο συχνά απαντώμενη παραλλαγή του.

Η πρόσμιξη καρβιδίου του πυριτίου επιτρέπει τη μετατροπή του σε ημιαγωγό τύπου p ή n με την προσθήκη διαφόρων προσμίξεων, όπως βόριο και αλουμίνιο- οι προσμίξεις αζώτου και φωσφόρου το μετατρέπουν σε ημιαγωγό τύπου n.

Η φασματομετρία μάζας πυράκτωσης και η φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ είναι δύο δημοφιλείς τεχνικές για την ανάλυση του καρβιδίου του πυριτίου- πιο ακριβής ανάλυση μπορεί να περιλαμβάνει τη φασματομετρία επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος-οπτικής εκπομπής ή τη φασματομετρία μάζας επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος-απόσπασης με λέιζερ σε στερεά δείγματα ή σε χωνεμένα/απολελυμένα δείγματα.