Карбід кремнію (SiC) - твердий, термо- і корозійностійкий напівпровідник

Карбід кремнію (SiC) - це інноваційна неоксидна кераміка з чудовими хімічними та фізичними властивостями. При різних температурах він проявляє властивості, подібні як до металів, так і до ізоляторів - ця особливість надає SiC характерної гнучкості.

Оксид алюмінію може бути легований азотом і фосфором n-типу або p-типу алюмінієм, бором і галієм для подальшої модифікації та охолодження; крім того, він може стати надпровідним при подальшому легуванні та охолодженні.

Електропровідність

Карбід кремнію (SiC) - це надзвичайно твердий, термо- і корозійно-стійкий напівпровідниковий матеріал, що складається з тетраедричних структур кремній-вуглець, пов'язаних між собою міцними ковалентними зв'язками в його кристалічній решітці. SiC відомий своєю винятковою міцністю і стійкістю до деформації, що робить його матеріалом вибору в таких середовищах, як керамічні пластини для бронежилетів.

Чистий SiC є електричним ізолятором, тоді як додавання домішок (відоме як легування) може змінити його властивості і перетворити на напівпровідник. Легування алюмінієм, бором або галієм створює напівпровідникові властивості p-типу.

Тетраедрична структура SiC також дозволяє існувати численним політипам з різними хімічними та електричними властивостями завдяки заміщенню атомних ділянок у шарі кремнезему; загалом кажучи, більша заміна атомних ділянок збільшує зміни в електричних та хімічних властивостях політипів.

SiC є ідеальним матеріалом для високопотужних застосувань завдяки своїй широкій забороненої зоні, що дозволяє електроніці працювати при вищих температурах, напругах і частотах, ніж пристрої на основі кремнію. Крім того, здатність SiC витримувати високі температури, окислення та механічні навантаження дозволяє використовувати його як в автоматиці, так і в авіації.

SiC пропонує чудову провідність і стабільні умови роботи порівняно з кремнієм, більш поширеним напівпровідниковим матеріалом. Тому він є чудовим вибором для силових електронних компонентів, необхідних для електромобілів, що швидко розвиваються. Крім того, SiC може зменшити втрати струму/напруги, одночасно підвищуючи теплову ефективність, що сприяє зменшенню розмірів компонентів і водночас підтримує швидке зростання транспортних засобів.

Мас-спектрометрія тліючого розряду та рентгенофлуоресцентна спектроскопія на твердих зразках; мас-спектрометрія з індуктивно-зв'язаною плазмою (ICP-OES) та ICP-мас-спектрометрія на розщеплених або вилужених зразках; а також енергодисперсійна спектроскопія (SEM), яка використовується для проведення некаліброваного, напівкількісного та повністю кількісного аналізу. Компанія Elkem має обладнання та досвід, необхідні для підготовки та постачання діоксиду кремнію відповідно до специфікацій замовника; наш найсучасніший підрозділ, відомий як Elkem Processing Services (EPS), змішує, класифікує та пакує діоксид кремнію відповідно до Ваших вимог.

Теплопровідність

Карбід кремнію, або SiC, - це неорганічний матеріал, що складається з ковалентно зв'язаних атомів вуглецю і кремнію в упорядкованій структурі. Легований азотом, фосфором або берилієм, він стає напівпровідником n-типу; легування бором, галієм або алюмінієм дає характеристики p-типу. Об'ємний SiC має одну з найтвердіших поверхонь з рейтингом твердості за шкалою Мооса 9. Його міцна поверхня також добре протистоїть корозії та хімічним реакціям.

Карбід кремнію має багато промислових застосувань, від силової електроніки до електромобілів (EV). Останнім часом його популярність у цих галузях зросла завдяки його здатності витримувати вищі робочі температури, що дозволяє йому витримувати високі вимоги до напруги, пов'язані з цими транспортними засобами.

Карбід кремнію має чудову теплопровідність, а також електропровідність, що забезпечує швидке проходження тепла через нього і усуває необхідність в активних системах охолодження, допомагаючи зменшити вагу, вартість і складність систем управління акумуляторами для електромобілів (EV).

Карбід кремнію виділяється як електропровідний матеріал завдяки нижчим температурам плавлення і кипіння та вищій теплопровідності при підвищених температурах, що робить його більш теплопровідним, ніж кремній.

Чудова теплопровідність карбіду кремнію є результатом його багатошарової кристалічної структури, відомої як політипи. Кожен політип відрізняється послідовністю розташування атомних шарів; наприклад, чотири атоми вуглецю, з'єднані з двома атомами кремнію, зазвичай є найпопулярнішою конфігурацією в монокристалічних пластинах.

Монокристалічний SiC має середню теплопровідність 490 Вт/мК при кімнатній температурі. Провідність кераміки SiC залежить від розміру зерен, домішок у решітці, структурних дефектів та наявності вторинних фаз з нижчою провідністю на межах зерен.

Карбід кремнію (КК) є одним з найпоширеніших у світі електропровідників після міді. Завдяки чудовій тепло- і механічній провідності, економічній ефективності та низькому тепловому розширенню карбід кремнію є привабливою альтернативою металам і пластмасам у низці галузей промисловості та автомобілебудування.

Хімічна провідність

Карбід кремнію має напівпровідникові характеристики, які дозволяють певній кількості струму проходити через нього, коли на нього подається напруга. Це дозволяє використовувати його у високовольтних пристроях, де його широка заборонена зона може призвести до виходу з ладу ізоляційних матеріалів через їхні надто високі енергетичні бар'єри, що перешкоджають переходу електронів між валентною зоною та зоною провідності.

Ця нерозчинна сполука посідає дев'яте місце за шкалою твердості Мооса, що робить її одним із найтвердіших синтетичних матеріалів. Як такий, він є ефективним абразивним матеріалом, який протистоїть ударним пошкодженням і зносу під час шліфування металів, а також більшості органічних кислот, лугів і солей. На жаль, він розчинний у воді та спирті, що може негативно вплинути на його властивості, такі як електропровідність.

SiC, як відомо, важко оцінити електрично; однак, ви можете визначити його тип, вимірявши коефіцієнт Зеєбека - це визначає його n-тип провідності; який має власну електропровідність DE(3.1+0.2)x104 (Ом-см).

Провідність матеріалів можна збільшити, додаючи до них домішки або легуючі речовини, такі як азот або фосфор; легування алюмінієм, бором або галієм може створити напівпровідники n-типу або p-типу і бути безцінним для багатьох застосувань. Легування може створити напівпровідник n-типу або p-типу в залежності від використовуваної домішки - наприклад, додавання азоту або фосфору може зробити ваш матеріал напівпровідником n-типу, тоді як легування алюмінієм, бором або галієм може створити напівпровідники n-типу або p-типу; які створюють напівпровідники n-типу або p-типу, що використовуються в різних сферах застосування. Легування матеріалів азотом або фосфором може зробити ваш матеріал напівпровідником n-типу, тоді як легування алюмінієм, бором і галієм може змінити цей матеріал, перетворивши його на напівпровідник p-типу, який має багато практичних застосувань.

Електропровідність SiC може змінюватися залежно від його концентрації та розподілу домішок. Оцінка цього аспекту має першорядне значення для виробництва надійних напівпровідникових пристроїв.

Крім того, теплопровідність SiC змінюється в залежності від його щільності через наявність міжзеренних пустот, які перешкоджають теплопередачі. Тому для досягнення максимальної теплопровідності дуже важливо, щоб він мав постійний розмір зерен і відповідав високим стандартам чистоти.

Карбід кремнію - це адаптивний матеріал, що має безліч застосувань у різних галузях промисловості. Його універсальність демонструє винахідливість сучасного матеріалознавства, а його особливі властивості відіграють важливу роль у формуванні передових промислових технологій.

Механічна провідність

Карбід кремнію зазвичай має механічну провідність в межах 105-107 Ом*см; однак легування матеріалу електропровідними другими фазами може підвищити її до набагато вищих рівнів, що робить SiC ідеальним кандидатом для нагрівачів та інших компонентів, що вимагають високого рівня провідності. Крім того, його твердість робить його привабливим матеріалом для використання в операціях спікання і механічної обробки, а хімічна чистота і стійкість до високих температур - особливо на межі зерен - зробили його популярним матеріалом для опор лотків для пластин і лопатей в напівпровідникових печах, в той час як інші сфери застосування включають зношувані пластини ущільнювачів і підшипники.

Карбід кремнію (КК) - це неорганічний напівпровідниковий матеріал, що складається з атомів чистого кремнію і чистого вуглецю, легований азотом або фосфором для утворення напівпровідника n-типу, або легований бором, алюмінієм і галієм для напівпровідника p-типу. На сьогоднішній день SC є однією з найтвердіших відомих речовин, конкуруючи з такими матеріалами, як алмаз і карбід бору, як одна з найтвердіших відомих речовин.

Напівпровідникові властивості роблять кераміку чудовим матеріалом для електроніки, наприклад, діодів, транзисторів і тиристорів, завдяки широкій забороненої зоні, що дозволяє їй працювати з високою напругою. Крім того, довговічність, корозійна стійкість і термостійкість роблять цей матеріал безцінним для автомобільних гальм, зчеплень і керамічних пластин, що використовуються в бронежилетах.

Нещодавні дослідження показали, що радіаційне пошкодження карбідів ГЦК (M=Si, Ti або Zr) створює переважно вакансійні, інтерстиціальні та антивузлові дефекти8,13. Моделювання молекулярної динаміки низькоенергетичного опромінення ab initio вказує на те, що ці дефектні стани спричиняють значне зменшення значень об'ємної густини та модулів Юнга.

Особливо вразливим є SiC, в якому переважають дефекти протилежного типу, такі як VC, VSi та CSi. Кінцеві стани з пошкодженнями, як правило, демонструють значно нижчі модулі зсуву та розтягу порівняно з ідеальними аналогами; цей ефект особливо очевидний для SiC, ніж для TiC та ZrC. Як свідчать ці та інші дослідження, необхідно провести більше роботи, щоб зрозуміти, як точкові дефекти впливають на характеристики карбідів карбіду кремнію в умовах радіації, щоб сприяти поліпшенню за допомогою фундаментальних досліджень, а також передових методів визначення характеристик.