Kiselkarbidstruktur

Kiselkarbid (SiC) är ett ultrahårt syntetiskt material som först framställdes 1891 av Edward Acheson i en ugn uppvärmd med kol och aluminiumoxid. Sedan det introducerades i industrin som ett industriellt slipmedel på 1920-talet har SiC snabbt blivit ett av de mest efterfrågade materialen i stor skala.

SiC förekommer i olika kristallstrukturer, så kallade polytyper; för hög effektapplikationer är polytypen 4H-SiC med hexagonal atomstruktur den bästa.

Fysiska egenskaper

Kiselkarbid är en fin keramik med mångsidiga fysikaliska egenskaper som gör den till ett av de mest mångsidiga eldfasta materialen på marknaden. Från dess hållfasthet, hårdhet, korrosionsbeständighet och höga smältpunkt till dess mångsidighet i extrema tekniska tillämpningar – såsom pump lager, ventiler, sandblästringsmunstycken och extruderingsmunstycken – har kiselkarbid visat sig vara en viktig komponent för moderna elektroniska enheter. Utöver dessa imponerande mekaniska egenskaper erbjuder kiselkarbid betydande halvledaregenskaper som en oumbärlig beståndsdel.

Rent kiselkarbid är ett färglöst kristallint ämne med en densitet på 3,21 g/ml och en smältpunkt som överstiger 2700 °C. Det framställs ofta genom Acheson-processen, där kvartssand och koks blandas och upphettas till höga temperaturer i en elektrisk ugn tills kvartssanden förkolnas och bildar grovkristallina strukturer såsom a-SiC, medan kubiska diamantstrukturer bildas för b-SiC-göt.

Alfa-SiC är den vanligaste polymorfen av kiselkarbid och kännetecknas av en hexagonal kristallstruktur som liknar wurtzit. Beta-SiC, som bildar kubiska diamantkristallstrukturer, förekommer oftast i meteoriter; dessutom används denna form ofta inom industriell tillverkning genom smältnings- och gjutningsprocesser för att framställa olika produkter.

Kemiska egenskaper

Kiselkarbid är en seg icke-oxidbaserad keramik med enastående fysikaliska och kemiska egenskaper: hög hårdhet och styvhet, låg värmeutvidgning och exceptionell korrosionsbeständighet. Dess breda bandgap gör dessutom att materialet lämpar sig för tillämpningar inom högeffektselektronik.

Vatten, alkohol och de flesta syror – med undantag för fluorvätesyra och syrafluorider – löser inte upp materialet, vilket ger det en överlägsen kemisk stabilitet jämfört med de flesta andra eldfasta keramer.

Kiselkarbid syntetiserades för första gången artificiellt av Edward Acheson år 1891 som en oavsiktlig biprodukt vid hans elektriskt uppvärmda smältning av kol och aluminiumoxid, och har blivit ett av världens viktigaste industriella keramiska material som används både som slipmedel för stållegeringar och som konstruktionskeramik.

Kiselkarbid har en tätt packad tetraedrisk struktur där atomerna är kovalent bundna till varandra. Olika staplingssekvenser ger upphov till dess olika polytyper – vilka alla kännetecknas av sina egna fysiska och kemiska egenskaper.

Alfaformen (a-SiC) har en hexagonal kristallstruktur som liknar wurtzit, medan betavarianten (b-SiC) uppvisar en zinkblendekristallstruktur som liknar diamant. Båda varianterna av SiC kan bearbetas enkelt med endast begränsade hårdhetsbegränsningar och slipas till olika former för användning som slipmedel eller speglar i teleskop, vilket är vanliga tillämpningar för dessa material.

Elektriska egenskaper

Kiselkarbid är ett halvledarmaterial, vilket innebär att det uppvisar vissa egenskaper som återfinns både hos metaller (som leder elektricitet) och icke-metaller, såsom isolatorer (som motverkar elektrisk ström). De exakta elektriska egenskaperna beror på temperaturen och eventuella föroreningar i kristallstrukturen – vid lägre temperaturer beter det sig mer som en isolator som motverkar strömflödet, medan det vid högre temperaturer blir mer likt en ledare och låter elektricitet passera genom sig.

SiC:s kristallstruktur består av skikt som bildas av kisel- och kolatomer bundna i tetraedriska konfigurationer. Dessa tätt packade skikt bildar en tättpackad struktur som ger upphov till olika kristallstrukturer, så kallade polytyper; varje polytyp har samma kemiska sammansättning men olika kristallstrukturer, vilket påverkar dess elektriska egenskaper. Varje polytyps skiktstaplingssekvens kan ge upphov till kubiska, hexagonala eller romboedriska kristallstrukturer.

SiC är ett attraktivt material för högspänningskomponenter tack vare sin tetraedriska kristallstruktur och breda elektroniska bandgap, vilket gör det särskilt lämpligt för dioder och transistorer. SiC:s bredare elektroniska bandgap gör att det tål högre elektriska genombrottsfält än kisel, samtidigt som det har lägre kopplingsförluster, vilket bidrar till förbättrad energieffektivitet. Dessutom kan den porösa kiselkarbidens ledningsförmåga modifieras genom dopning med orenheter för att uppnå både högre ledningsförmåga och spänningskapacitet för användning i effektiva kraftomvandlare för elfordon.

Mekaniska egenskaper

Kiselkarbid är ett extremt hårt, kemiskt inert material som förekommer naturligt i form av svarta diamanter med en hårdhet på 9 enligt Mohs-skalan. Det har många fördelaktiga egenskaper, bland annat temperaturstabilitet, låg värmeutvidgning och motståndskraft mot kemisk påverkan, vilket gör det perfekt som halvledarmaterial.

Litiumoxid är en enastående elektrisk isolator med en spänningsmotståndsfaktor som är tio gånger högre än kisel, vilket gör det till ett allt mer attraktivt alternativ som ersättningsmaterial för kisel inom kraftelektronik och andra hög effektapplikationer.

SiC tillverkas med hjälp av olika polymorfa kristallstrukturer, var och en med sin egen specifika atomuppställning. Tre vanliga SiC-polymorfer som framställs är 3C-SiC, 4H-SiC och 6H-SiC; de skiljer sig åt genom skiktens staplingsordning, vilket ger upphov till olika fysikaliska och mekaniska egenskaper.

I en ny studie av enskilda SiC-nanotrådar med olika ODD-strukturer utfördes in situ-dragprovning med SEM för att bedöma deras hållfasthet och elasticitet, skjuvmodulen, Poissons tal för varje fas samt en analys av den mekaniska anisotropin visade att Pm-SiC uppvisade bättre skjuvbeteende jämfört med b-SiC- respektive Pnnm-SiC-nanotrådar; dessutom ökade hållfastheten med stigande ODD-beläggningsgrad fram till 32,61 TP3T, varefter hållfastheten började minska exponentiellt.