Чому карбід кремнію є гарним вибором для електропровідності та інших застосувань

Карбід кремнію - це сучасний напівпровідниковий матеріал, здатний проводити електрику при високих температурах, залишаючись при цьому стійким до окислення і витримуючи високу напругу, що робить його ідеальним матеріалом для таких застосувань, як автомобільні гальма і зчеплення, а також для виготовлення бронежилетів.

Домішки, такі як алюміній, бор і галій, можуть допомогти контролювати електропровідність пористого SiC, створюючи в ньому напівпровідники P-типу.

Це напівпровідник

Карбід кремнію (SiC) - це штучно отримана тверда кристалічна сполука кремнію та вуглецю. Як надзвичайно міцний і стійкий до стирання матеріал, карбід кремнію знаходить застосування в різних галузях промисловості, включаючи наждачний папір, шліфувальні круги, ріжучі інструменти, вогнетривкі футеровки, зносостійкі деталі для насосів і ракетних двигунів, а також напівпровідникові підкладки для світлодіодів (LED).

Поєднання високої теплопровідності, низького коефіцієнту теплового розширення і чудової хімічної стійкості роблять SiC привабливим матеріалом для використання в суворих умовах. Крім того, SiC слугує чудовим електропровідником, здатним витримувати високу напругу.

SiC - один з небагатьох матеріалів з унікальною атомною структурою, що кристалізується в тісноупакованих структурах, де кожен атом кремнію ділиться чотирма електронами з сусідніми атомами, утворюючи ковалентні зв'язки і формуючи політип структур карбіду кремнію - понад 200 унікальних розташувань існують уздовж напрямку тісної упаковки, в тому числі один кубічний політип, що має кристалічну структуру цинкової обманки; некубічні форми SiC включають альфа-карбід кремнію (a-SiC) і бета-карбід кремнію (4H-SiC).

Чудові фізичні властивості карбіду кремнію дозволяють йому знаходити широке застосування в електронних компонентах. Завдяки широкому діапазону робочих температур і чудовій тепло- та електропровідності, а також вищій рухливості електронів, що дозволяє працювати на більш високих частотах, ніж більшість напівпровідників, карбід кремнію є ідеальним матеріалом для силових пристроїв, таких як діоди Шотткі, MOSFET і транзистори.

Карбід кремнію відрізняється від більшості металів своєю хімічною інертністю та стійкістю до корозії в багатьох середовищах. Він стійкий до стирання та піскоструминної обробки, а також витримує високі температури. Крім того, більшість кислот і лугів - за винятком плавикової кислоти - також не впливають на його структуру.

Для виробництва пластин SiC загальним методом є реакція кварцового піску з вуглецевим паливом, таким як нафтовий кокс, у спеціальній печі та розплавлення в пасту перед спіканням з утворенням циліндричної або сферичної структури під тиском, зазвичай зі зв'язуючими речовинами, такими як карбід бору або силікатне скло в якості зв'язуючого. Після відпалу та розрізання на пластини.

Це провідник

Карбід кремнію (SiC) - це напівпровідниковий матеріал, що має безліч застосувань. Він широко використовується у потужних електронних пристроях, таких як діоди, транзистори і тиристори; завдяки своїй широкій забороненої зоні він дозволяє проводити електрику на високих частотах, маючи при цьому чудову фізичну міцність і термостійкість, що робить його ключовим компонентом промислових матеріалів, таких як автомобільні гальма/зчеплення, а також керамічні пластини, що використовуються в бронежилетах.

Карбід кремнію у своєму первинному стані є електричним ізолятором, однак у поєднанні з домішками або легуючими речовинами він може функціонувати як провідник. Додавання алюмінію, бору або галію надає напівпровідникові властивості P-типу; додавання азоту або фосфору створює напівпровідникові властивості N-типу, що дозволяє виготовляти з матеріалу різні структури пристроїв.

Кубічний діоксид кремнію отримують двома способами: розчиненням у розплавленому кремнії або хімічним осадженням з газової фази. Виробники використовують будь-який з цих процесів для виготовлення пластин, які згодом перетворюються на мікросхеми для електронних пристроїв. Обидва процеси споживають значні енергетичні ресурси та обладнання, що зрештою робить його виробництво надто дорогим для багатьох виробників.

Одним із способів підвищення електропровідності SiC є додавання вуглецю або нітридів металів, таких як сажа. Ці добавки зменшують окислення під час виробництва, одночасно підвищуючи теплопровідність. Крім того, ці нітриди допомагають зменшити щільність, що підвищує механічну міцність.

Добавки, такі як каталізатори, також можуть мати значний вплив на електропровідність пористих композитів на основі SiC, суттєво змінюючи їхню електропровідність. Такі добавки безпосередньо змінюють морфологію та провідність вторинної фази, тому важливо розуміти їхній вплив на електропровідність.

Ми провели інтенсивне дослідження електропровідності пористої кераміки на основі SiC, оцінюючи її морфологію та пористість, вимірюючи кристалічну структуру за допомогою власної електронної мікрографії та рентгенівського дифрактометра, а також тестуючи провідність з використанням графену, присутнього у вторинній фазі, та його морфології в якості ключових змінних. Результати показують, що морфологія кераміки є результатом складних взаємодій між окисно-відновними видами кремній-вуглецю, тоді як провідність залежить від обох параметрів.

Це теплопровідник

Карбід кремнію є незамінним матеріалом у багатьох галузях промисловості, починаючи від його неперевершеної твердості та зносостійкості і закінчуючи використанням у якості напівпровідника та електропровідника. Завдяки цим властивостям ця багатогранна сполука зробила значний внесок у підвищення ефективності та надійності в різних галузях.

Карбід кремнію (SiC) - це нерозчинна тверда речовина від чорного до коричневого кольору з твердістю за шкалою Мооса 9, виготовлена з вуглецю в поєднанні з піском, який пройшов високотемпературне нагрівання, щоб сформувати свою унікальну атомну структуру і продемонструвати чудову міцність, в'язкість, довговічність, корозійну стійкість, твердість і в'язкість. Карбід кремнію може бути отриманий шляхом високотемпературного нагрівання при підвищених температурах для створення цієї еластичної сполуки, яка використовується як вогнетривкий матеріал у підшипниках насосів, клапанах, інжекторах для абразивних форсунок та екструзійних фільєрах, серед інших застосувань.

Власна електропровідність SiC вища, ніж у чистого кристалічного кремнію, і становить понад 100 Ом-см-1 при кімнатній температурі. Ця провідність залежить від кристалічної структури, фази та мікроструктури, але може бути збільшена шляхом легування домішками n-типу або p-типу, такими як алюміній, галій, бор, азот або фосфор; особливо легування карбіду кремнію галієм, бором або алюмінієм підвищує металоподібну провідність, тоді як берилій, ніобій або вольфрам можуть допомогти досягти p-типу SiC.

SiC має неймовірні теплові властивості та привабливу широку заборонену зону, що робить його привабливим матеріалом для електронних застосувань. Goldman Sachs прогнозує, що використання карбіду кремнію в інверторах для зарядки електромобілів збільшить дальність пробігу і щільність енергії, зменшивши при цьому розмір і вартість системи управління акумулятором.

Карбід кремнію зустрічається у вигляді двох поліморфів: альфа SiC має гексагональну кристалічну структуру, подібну до вюрциту; тоді як бета SiC має кристали цинкової суміші, подібні до алмазу. До недавнього часу бета-кристалічний діоксид кремнію мав обмежене комерційне застосування, коли його кристалічна структура цинкової суміші зробила його корисним як допоміжний матеріал для гетерогенних каталізаторів; його рівномірна площа поверхні зробила каталіз більш ефективним на підкладці. Крім того, бета-кремній діоксид кремнію має нижчий тиск пари і вищу температуру плавлення, ніж глинозем і алюміній.

Це магнітний матеріал

Карбід кремнію (SiC) - це промисловий керамічний матеріал, який широко використовується в умовах високих температур і високої напруги. Завдяки своїй твердості, SiC часто використовується як основний абразив у багатьох процесах механічної обробки, абразивної та дробеструйної обробки; крім того, його корозійна стійкість робить його безцінним. У чистому вигляді SiC діє як електричний ізолятор, тоді як контрольоване легування може надати йому напівпровідникових властивостей.

Карбід кремнію вирізняється великою шириною забороненої зони - енергетичною щілиною між валентною зоною і зоною провідності атомів, що входять до його складу в кристалі, - яка визначає, чи вважається матеріал провідником, ізолятором або напівпровідником. Провідники мають ширину забороненої зони, що перекривається, тому електрони можуть вільно переходити з валентної зони в зону провідності, тоді як ізолятори потребують значної кількості енергії для переходу електронів через цю межу.

Карбід кремнію може створювати магнітні моменти шляхом додавання неметалевих домішок; однак ці моменти можуть бути відносно слабкими через те, що незбурена основна маса NM-SiC має дуже малу енергію зв'язку та нижчу електронегативність вуглецю, ніж кремній. Крім того, магнітні моменти залежать від того, наскільки близько розташовані сусідні атоми вуглецю.

Основний внесок у магнітний момент кремнієвої вакансії VSi вносять неспарені p-електрони, що знаходяться на трьох атомах вуглецю з висячими зв'язками; для порівняння, кремнієва вакансія VSe містить лише два таких неспарених p-електрони і вносить менший внесок у магнітний момент.

Карбід кремнію буває різних політипів з різною структурою шарів і послідовністю укладання, зокрема: А-політип має шари, укладені в позиції А; В і С-політипи характеризуються укладанням шарів у певних позиціях; тоді як С-політип зазвичай надають перевагу для високотемпературних застосувань. Політипи A і B можна знайти в електричних пристроях; з іншого боку, політип C може бути кращим, коли він піддається впливу високих температур.

Карбід кремнію вирізняється не лише своїми чудовими тепловими властивостями, але й як винятковий провідник електрики. Його стійкість до напруги в 10 разів вища, ніж у нітриду галію, що робить його придатним для силових і сенсорних застосувань, а також застосувань, що вимагають температурних коливань. Крім того, низький коефіцієнт теплового розширення карбіду кремнію робить його особливо привабливим в цьому відношенні.