Carbură de siliciu - Cea mai ușoară, mai dură și mai conductivă termic ceramică

Carbura de siliciu este unul dintre cele mai ușoare, mai dure și mai termo-conductoare materiale ceramice disponibile în prezent. Își menține rezistența la temperaturi ridicate, fiind în același timp foarte rezistent la acizi și leșii.

Moissanitul natural este extrem de rar; prin urmare, cea mai mare parte a SiC disponibil în comerț este produsă pe cale sintetică. Acesta se găsește fie sub formă verde sau de biscuiți pentru a fi frezat în forme complexe, fie sinterizat și lipit prin reacție pentru aplicații de lipire sinterizată.

Conductivitatea termică (k)

Conductivitatea termică excelentă a carburii de siliciu îi permite să gestioneze în mod eficient căldura intensă generată de componentele electronice de putere, disipând în același timp încălzirea Joule datorată rezistenței interne și pierderilor prin conducție. În plus, coeficientul său scăzut de dilatare termică și duritatea sa o fac deosebit de potrivită pentru aplicații optice, cum ar fi oglinzile din telescoapele astronomice de mari dimensiuni.

Carbura de siliciu (SiC) este un cristal fononic care prezintă o dependență puternică de temperatură a conductivității sale termice (k). Monocristalele pure de SiC pot atinge valori la temperatura camerei care depășesc 490 W m-1K-1; în ceramica policristalină de carbură de siliciu, aceasta are valori mult mai mici din cauza impurităților din rețea și a defectelor structurale la granițele de grăunți, precum și în SiC LPSed cu aditivi cu conținut de Al, deoarece acest lucru permite atomilor de Al să se dizolve în grăunții de SiC și să formeze soluții solide sau faze secundare cu conductivitate redusă.

Cristalele de 3C-SiC la scară de placă, care se află în poziție liberă, raportate în acest studiu, posedă valori izotrope k de peste 500 W m-1K-1, mai mult de 50% mai mari decât materialele 6H-SiC și AlN disponibile în comerț și se situează pe locul al doilea în rândul materialelor cu cristale mari. Valorile lor ridicate de k în plan pot fi atribuite căilor libere medii scurte ale fononilor măsurate cu ajutorul măsurătorilor TDTR; dependența lor nemonotonă de temperatură susține și mai mult dopajul lor puternic.

Conductivitatea termică (T)

Carbura de siliciu (SiC) este un compus chimic anorganic alcătuit din siliciu și carbon. Prezent în mod natural sub formă de moissanit, un mineral rar, SiC este fabricat industrial din 1893, atât sub formă de pulbere, cât și sub formă de monocristal, pentru a fi utilizat ca abraziv și ca placă ceramică pentru cuptoarele de înaltă presiune/temperatură ale cuptoarelor de semiconductori, cum ar fi suporturile/plăcile de suport pentru plachete de wafer etc. În plus, puritatea sa chimică, rezistența la atacul termic și rezistența la temperaturi mai ridicate au dus la o utilizare pe scară largă în dispozitive electrice precum varistoarele (rezistențe variabile în funcție de temperatură/varistoare/varistori/etc.).

SiC se remarcă printre ceramicele industriale, cum ar fi alumina, zirconia și dioxidul de titan, datorită conductivității sale termice relativ ridicate. Atunci când este măsurat la temperatura camerei pentru SiC pur monocristal, SiC se situează undeva între diamant și cupru ca valori ale conductivității sale termice și este mult mai mare decât cea a siliciului.

SiC este deseori denumit un cristal fononic datorită modurilor sale de vibrație distinctive. Cu un drum liber mediu scăzut și fononi cu lungime de undă scurtă, conductivitatea sa termică îl face unul dintre cele mai rapide materiale pentru transferul de căldură. Cu toate acestea, conductivitatea sa termică poate fi diminuată de impurități și defecte structurale în cadrul materialului său și a fost demonstrată experimental; acest efect poate fi modelat cu ajutorul modelului Callaway-Holland, care ia în considerare rezistența termică datorată îngustării dintre deschiderile găurilor.

Conductivitatea termică (T2)

Carbura de siliciu este unul dintre cele mai ușoare, mai dure și mai conductive termic materiale ceramice disponibile în prezent. Chimic inert la acizi, baze și săruri topite; foarte rezistent la coroziune la temperaturi extrem de ridicate; se mândrește cu o rezistență fizică excepțională, precum și cu o conductivitate termică scăzută și caracteristici de coeficient de dilatare care fac carbura de siliciu potrivită pentru multe aplicații la temperaturi ridicate.

SiC este materialul ideal pentru a fi utilizat în aplicațiile electronice de putere mare, optoelectronice și de calcul cuantic datorită structurii sale cristaline simple și a căldurii specifice excepțional de ridicate; cu toate acestea, fluxul de căldură localizat cauzat de aceste tehnologii poate duce la creșterea temperaturii dispozitivului și la degradarea performanțelor, ceea ce face ca managementul termic să fie o provocare permanentă.

Ca atare, o interfață termică extrem de conductivă este esențială pentru performanța dispozitivelor realizate cu SiC. Datorită aranjamentului atomic în formă de os de pește din materialul 3C-SiC, drumul liber mediu liber al fononilor (MFP) extraordinar de ridicat facilitează o conductivitate termică superioară în comparație cu semiconductorii tradiționali.

Conductivitatea termică ridicată a CVD SiC este și mai izbitoare; produsă prin depunere chimică în stare de vapori și având o structură policristalină cubică extrem de pură cu fața centrată, conductivitatea sa termică a fost raportată ca fiind de până la două ori mai mare decât cea a SiC sinterizat sau legat prin reacție; de fapt, CVD SiC se mândrește cu una dintre cele mai mari conductivități termice dintre materialele cultivate sintetic.

Conductivitatea termică (T3)

Carbura de siliciu este un material ceramic extrem de dur, rezistent la substanțe chimice, cu proprietăți excelente de conductivitate termică și rezistență la șocuri termice, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații la temperaturi ridicate, cum ar fi producția de semiconductori. Datorită acestor calități, a fost utilizat de mult timp în aplicații din metalurgie, refractare, ceramică și industria semiconductorilor, deoarece se mândrește cu o duritate extremă, rezistență la oboseală, precum și cu proprietăți de inerție chimică.

Moissanitul poate fi găsit în mod natural doar în cantități infime în anumite tipuri de meteoriți și depozite de corindon, dar este produs în cuptoare în scopuri comerciale. Substanța poate fi sintetizată pe cale sintetică prin diverse tehnici - de exemplu, prin dizolvarea carbonului în siliciu topit, topirea argilei (silicat de aluminiu), a amestecului de cocs și cocs pudră, dizolvarea carbonului în siliciu lichid sau topirea amestecului de argilă (silicat de aluminiu) cu cocs pudră; de asemenea, produs prin arderea în cuptorul electric a combinației de siliciu și carbon care dă naștere la gama sa naturală de culori de la maro închis la negru, dar care poate fi vopsită și în albastru pentru a fi vândută ca piatră prețioasă denumită moissanit.

3C-SiC prezintă o conductivitate termică relativ ridicată de aproximativ 620 Wm-1 K-1, de aproape zece ori mai mare decât cea a diamantului. Acest lucru poate fi atribuit ratei sale relativ scăzute de împrăștiere difuză de suprafață, care limitează MFP de fononi, așa cum se arată în figura 4. În plus, distribuțiile membranelor și ale nanofirelor măsurate aici au fost reprezentate grafic în funcție de dimensiunile lor limită pentru a arăta că acestea coincid cu valorile obținute prin funcțiile cumulative MFP în masă41 și 42.