Hvad er siliciumcarbid?

Siliciumcarbid, bedre kendt som carborundum, er en ekstremt hård kemisk forbindelse med egenskaber som både metal og isolator ved forskellige temperaturer. Anvendes i industrielle applikationer, der kræver lang levetid.

Grønt SiC er et ekstremt hårdt og korrosionsbestandigt keramisk materiale, der først blev syntetiseret af Edward Acheson i 1891 ved kombineret opvarmning af kvartssand og petroleumskoks i en særlig ovn. Det har fremragende egenskaber, herunder god korrosionsbestandighed, høj mekanisk styrke, lav varmeudvidelse og bemærkelsesværdig modstandsdygtighed over for termisk chok.

Intrinsisk ledningsevne

Siliciumcarbid (SiC) er et enestående materiale, der er kendetegnet ved overlegen styrke og hårdhed, kemisk inerti, modstandsdygtighed over for termisk chok og egenskaber med bredt båndgab, der gør det velegnet til mange krævende industrielle anvendelser som glidelejer, sliddele, digler, sintringshjælpemidler, halvlederkomponenter samt brænderdyser.

SiC fungerer som en isolator, når det produceres rent; men med kontrolleret tilsætning af urenheder eller dopingstoffer kan det udvise halvledende egenskaber. Aluminium-, bor- eller gallium-dopingstoffer producerer halvledere af P-typen; tilsætning af fosfor- eller nitrogen-dopingstoffer skaber halvledere af N-typen. Deres evne til at ændre elektron- og hulkoncentrationen - forskellen mellem deres antal i ledningsbåndet og valensbåndet - hænger direkte sammen med ledningsevnen.

En halvleders iboende ledningsevne bestemmes af flere faktorer, herunder dens Fermi-energi, højden af dens valens- og ledningsbånd, elektronernes mobilitet i ledningsbåndet og ladningen pr. elektron. Når flere atomer i valensbåndet er bundet til deres overordnede atomare orbitaler, har de lavere Fermi-energier, som gør det mindre sandsynligt, at de bliver overført til ledning via termiske vibrationer i SiC-gitteret (fononemission). Ved stuetemperatur er de iboende ladningsbærere jævnt fordelt over begge bånd med lige mange elektroner og huller pr. bånd - hvilket samlet set giver en bedre leder.

Men når det opvarmes til høje temperaturer, bliver dets valensbånd delvist tomt, da siliciumatomer ikke længere oplever tilstrækkelige termiske vibrationer til at ophidse deres vibrationstilstande tilstrækkeligt. Det resulterer i, at nogle af valenselektronerne krydser over i ledningsbåndet og øger ledningsevnen betydeligt.

Når temperaturen fortsætter med at stige, rekombinerer elektroner og huller, indtil et ligevægtspunkt er nået ved den karakteristiske temperatur for en halvleder. Ledningsevnen kan øges yderligere ved hjælp af elektriske strømme eller elektromagnetisk stråling for at stimulere dannelsen og rekombinationen af elektron-hul-par, så elektroniske enheder som dioder og transistorer kan fungere ved højere spændinger og frekvenser uden at gå på kompromis med pålideligheden.

Ledningsevne ved korngrænser

Siliciumcarbid har en indviklet krystalstruktur med mange polytyper. En bestemt polytype kan identificeres ved antallet og placeringen af kulstofatomer i dens lag; hver stakningssekvens genererer unikke orienteringskombinationer på grund af energibetragtninger (laterale translationer og rotationer er begge mulige), hvilket fører til hundredvis af mulige konfigurationer pr. lag i en eksperimentel prøve af SiC.

For bedre at forstå SiC's ledningsevne er det nødvendigt at overveje alle mulige retninger for ladningstransport. For at gøre det blev der udført komplekse impedansmålinger på prøver, hvis korngrænser (GB'er) var blevet identificeret via EBSD-analyse og indpasset i en model, der tog højde for både bulk- og GB-ledningsevne; resultaterne viser, at gB-ledningsevne er den dominerende kraft, der bestemmer de samlede elektriske transportegenskaber ved forhøjede temperaturer.

gB-ledningsevne afhænger i høj grad af temperatur og kornstørrelse, og køleprocedure og urenheder ved korngrænsen har også indflydelse. Figur 5a illustrerer dette forhold ved at sammenligne kornets ioniske ledningsevne, der er opnået gennem dette arbejde, med litteraturværdier for smeltestøbt keramik; du kan se, at dens tilpasning til litteraturværdier for smeltestøbt keramik er meget tæt; eventuelle rapporterede afvigelser stammer sandsynligvis fra forskelle i pelletprøveforberedelsesmetoden, der blev brugt til måling, unøjagtig impedanstilpasning eller forkerte beregninger af ækvivalente kredsløb.

Typisk falder gB-ledningsevnen med stigende temperatur og indhold af urenheder; denne effekt er meget mindre udtalt for rene materialer, der indeholder betydelige mængder af anden fase, end for dem, der indeholder betydelige mængder. Når temperaturen stiger, falder elektronmobiliteten; de bliver mere tilbøjelige til at blive fanget i gB-strukturer, der hindres af strukturelle defekter - hvilket forklarer, hvorfor SiC-ledningsevnen i høj renhed har tendens til at være lavere end kommercielt tilgængelige former; for at kompensere for dette kan der tilføjes elektrisk ledende andenfasepartikler ved lav temperatur og til sidst reducere gB-ledningsevnen til niveauer, der opfylder praktiske anvendelsesbehov.

Ledningsevne ved kornoverflader

Siliciumcarbid, almindeligvis kaldet SiC, refererer til en ekstremt forskelligartet gruppe af materialer, der spænder fra keramik fremstillet af urene SiC-krystallitter, der er bundet sammen ved hjælp af forskellige bindemidler under høj temperatur og tryk, til industrielle skiver fremstillet via kemisk dampaflejring eller vakuumvækst af SiC-krystallitter. Hver type siliciumcarbid har forskellige fysiske egenskaber som f.eks. elektrisk ledningsevne, der gør det mere udfordrende at forudsige dens ydeevne til specifikke anvendelser.

Ledningsevne er en egenskab ved den atomare struktur, som bestemmes af materialets sammensætning og kornstørrelse. En siliciumcarbid-bikrystals ledningsevne kan påvirkes af korngrænsernes sammensætning og struktur samt dannelsesmetoden; for eksempel kan dens n-type ledningsevne afhænge af ilturenheder ved grænsefladen til det oprindelige oxid - noget, der observeres ved hjælp af scanning-elektronmikroskopi og scanning nonlinear dielectric microscopy (SNDM).

I lighed med SiC kan man få halvledende SiC til at udvise p-type-egenskaber ved at dope det med aluminium, bor, gallium eller nitrogen - mens doping med nitrogen eller fosfor resulterer i n-type-egenskaber. Øget doping øger den elektriske ledningsevne, men der skal tages højde for det øgede overfladeareal, når man forudsiger materialernes samlede ledningsevne.

En korngrænses modstand bestemmes af dens atomare struktur, da udsving i det periodiske atompotentiale fra tilstødende krystaller får elektroner til at sprede sig langs grænsen og mindske resistiviteten. Da atomer har en tendens til at gruppere sig tættere ved korngrænser på grund af tættere afstand ved grænserne, har dens modstand en tendens til at være større end indvendige modstande; denne nærhed bidrager til, at der dannes oxidmolekyler, som reducerer ledningsevnen yderligere; men denne effekt kan minimeres ved at designe dem, så de er så glatte og tætte som muligt.

Ledningsevne ved kornintervaller

Siliciumcarbid (SiC) har fundet bred anvendelse i elektroniske apparater på grund af dets højere ledningsevne, elektronmobilitet og reducerede effekttab ved høje temperaturer. På grund af denne egenskab kan enheder som Schottky-dioder og transistorer, der forstærker, skifter eller konverterer elektriske signaler i elektroniske kredsløb, konstrueres lettere end med andre materialer.

SiC kan have en betydelig forringelse af ledningsevnen på grund af modstand ved korngrænserne, som skyldes ændringer i det periodiske atompotentiale i forhold til SiC-gitteret. Da elektroner krydser flere grænser i dette område, kan ændringer i potentialet fremkalde elektronspredning, der øger modstanden betydeligt sammenlignet med den, der findes i bulkmaterialet.

Forskere har undersøgt virkningerne af kulstof på SiC-polykrystallers og bikrystallers ledningsevne for at forstå dette fænomen. Som en del af deres eksperiment undersøgte de en poleret bikrystal, der indeholdt 5 vægtprocent kulstofadditiv, ved hjælp af scanningsprobemikroskopi-nanoindentation-diffraktionsmåling for at analysere overfladeenergimålinger af både denne prøve og en p-type enkeltkrystal fra SiC. De udførte også EBSD-opløst kornkortlægning, topografiske bærertype-billeder samt topografiske bærertype/koncentrationsbilleder på hver af dem for at skabe yderligere klarhed.

Topografisk så overfladen på en bikrystal flad ud; men billeder af bærertype og koncentration afslørede et mørkt område nær korngrænsen forårsaget af bærernedbrydningslag forårsaget af Sc-substitution på Si-steder i gitteret med SiC-tilsætningssammensætning under sintring.

EBSD-analyse bekræftede eksistensen af et udtømningslag og viste, at dets sammensætning omfattede SiAlON- og b-Si3N4-partikler i dets korngrænser (GB'er). Desuden afspejlede deres s-værdier dem, der blev fundet for bulk-SiC. Desuden indikerer lave s-værdier, at det meste af ledningsevnen kommer fra fononspredning snarere end frie elektroner; hvilket passer godt med temperaturafhængigheden af varmeledningsevnen for både uberørte kroppe og C-SiC-kroppe.