Siliziumkarbid, besser bekannt als Carborundum, ist eine extrem harte chemische Verbindung, die bei unterschiedlichen Temperaturen sowohl metallische als auch isolierende Eigenschaften aufweist. Es wird in industriellen Anwendungen eingesetzt, die eine lange Lebensdauer erfordern.<\/p>\n
Gr\u00fcnes SiC ist ein extrem hartes und korrosionsbest\u00e4ndiges keramisches Material, das erstmals 1891 von Edward Acheson durch die kombinierte Erhitzung von Quarzsand und Petrolkoks in einem speziellen Ofen synthetisiert wurde. Es zeichnet sich durch herausragende Eigenschaften wie gute Korrosionsbest\u00e4ndigkeit, hohe mechanische Festigkeit, geringe W\u00e4rmeausdehnung und bemerkenswerte Temperaturwechselbest\u00e4ndigkeit aus.<\/p>\n
Siliziumkarbid (SiC) ist ein hervorragender Werkstoff, der sich durch eine hohe Festigkeit und H\u00e4rte, chemische Inertheit, Temperaturwechselbest\u00e4ndigkeit und eine gro\u00dfe Bandl\u00fccke auszeichnet. Dadurch eignet er sich f\u00fcr viele anspruchsvolle industrielle Anwendungen wie Gleitlager, Verschlei\u00dfteile, Tiegel, Sinterhilfsmittel, Halbleiterkomponenten und Brennerd\u00fcsen.<\/p>\n
In reiner Form wirkt SiC wie ein Isolator; durch kontrollierte Zugabe von Verunreinigungen oder Dotierstoffen kann es jedoch halbleitende Eigenschaften aufweisen. Aluminium-, Bor- oder Galliumdotierungen f\u00fchren zu P-Halbleitern; die Zugabe von Phosphor- oder Stickstoffdotierungen f\u00fchrt zu N-Halbleitern. Ihre F\u00e4higkeit, die Konzentration von Elektronen und L\u00f6chern zu ver\u00e4ndern - die Differenz zwischen ihrer Anzahl in Leitungs- und Valenzb\u00e4ndern - steht in direktem Zusammenhang mit der Leitf\u00e4higkeit.<\/p>\n
Die intrinsische Leitf\u00e4higkeit eines Halbleiters wird durch mehrere Faktoren bestimmt, darunter die Fermi-Energie, die H\u00f6he der Valenz- und Leitungsb\u00e4nder, die Mobilit\u00e4t der Elektronen im Leitungsband und die Ladung pro Elektron. Wenn mehr Atome im Valenzband an ihre \u00fcbergeordneten Atomorbitale gebunden sind, haben sie eine niedrigere Fermi-Energie, so dass es unwahrscheinlicher ist, dass sie durch thermische Schwingungen des SiC-Gitters (Phononenemission) in die Leitung \u00fcberf\u00fchrt werden. Bei Raumtemperatur sind die intrinsischen Ladungstr\u00e4ger gleichm\u00e4\u00dfig auf beide B\u00e4nder verteilt, mit einer gleichen Anzahl von Elektronen und L\u00f6chern pro Band, was insgesamt einen besseren Leiter ergibt.<\/p>\n
Wenn es jedoch auf h\u00f6here Temperaturen erhitzt wird, wird sein Valenzband teilweise leer, da die Siliziumatome nicht mehr gen\u00fcgend thermische Schwingungen erfahren, um ihre Schwingungsmoden ausreichend anzuregen. Dies f\u00fchrt dazu, dass einige der Valenzelektronen in das Leitungsband \u00fcbertreten und die Leitf\u00e4higkeit deutlich erh\u00f6hen.<\/p>\n
Wenn die Temperatur weiter ansteigt, rekombinieren Elektronen und L\u00f6cher, bis bei der charakteristischen Temperatur eines Halbleiters ein Gleichgewichtspunkt erreicht ist. Die Leitf\u00e4higkeit kann durch elektrische Str\u00f6me oder elektromagnetische Strahlung weiter erh\u00f6ht werden, um die Erzeugung und Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren anzuregen, so dass elektronische Ger\u00e4te wie Dioden und Transistoren mit h\u00f6heren Spannungen und Frequenzen arbeiten k\u00f6nnen, ohne dass die Zuverl\u00e4ssigkeit beeintr\u00e4chtigt wird.<\/p>\n
Siliciumcarbid besitzt eine komplizierte Kristallstruktur mit zahlreichen Polytypen. Ein bestimmter Polytyp l\u00e4sst sich anhand der Anzahl und der Lage der Kohlenstoffatome in den Schichten erkennen. Jede Stapelsequenz erzeugt aufgrund von Energie\u00fcberlegungen einzigartige Ausrichtungskombinationen (sowohl seitliche Verschiebungen als auch Drehungen sind m\u00f6glich), was zu Hunderten von m\u00f6glichen Konfigurationen pro Schicht in einer experimentellen SiC-Probe f\u00fchrt.<\/p>\n
Um die Leitf\u00e4higkeit von SiC besser zu verstehen, ist es notwendig, alle m\u00f6glichen Richtungen des Ladungstransports zu ber\u00fccksichtigen. Zu diesem Zweck wurden komplexe Impedanzmessungen an Proben durchgef\u00fchrt, deren Korngrenzen (GB) mittels EBSD-Analyse identifiziert und in ein Modell eingepasst wurden, das sowohl die Volumen- als auch die GB-Leitf\u00e4higkeit ber\u00fccksichtigte; die Ergebnisse zeigen, dass die GB-Leitf\u00e4higkeit die dominierende Kraft ist, die die gesamten elektrischen Transporteigenschaften bei erh\u00f6hten Temperaturen bestimmt.<\/p>\n
Die gB-Leitf\u00e4higkeit h\u00e4ngt stark von der Temperatur und der Korngr\u00f6\u00dfe ab, wobei das Abk\u00fchlungsverfahren und die an der Korngrenze vorhandenen Verunreinigungen ebenfalls einen Einfluss haben. Abbildung 5a veranschaulicht diese Beziehung durch den Vergleich der im Rahmen dieser Arbeit ermittelten ionischen Kornleitf\u00e4higkeit mit Literaturwerten f\u00fcr schmelzgegossene Keramiken. Es ist zu erkennen, dass die \u00dcbereinstimmung mit den Literaturwerten f\u00fcr schmelzgegossene Keramiken sehr gut ist; etwaige Abweichungen sind wahrscheinlich auf Unterschiede bei der Vorbereitung der Pelletproben f\u00fcr die Messung, eine ungenaue Impedanzanpassung oder falsche Berechnungen der Ersatzschaltbilder zur\u00fcckzuf\u00fchren.<\/p>\n
Typischerweise nimmt die gB-Leitf\u00e4higkeit mit steigender Temperatur und mit dem Gehalt an Verunreinigungen ab; dieser Effekt ist bei reinen Materialien, die signifikante Mengen an zweiten Phasen enthalten, viel weniger ausgepr\u00e4gt als bei solchen, die signifikante Mengen enthalten. Mit steigender Temperatur nimmt die Elektronenbeweglichkeit ab; es wird wahrscheinlicher, dass sie an gB-Strukturen h\u00e4ngenbleiben, die durch strukturelle Defekte behindert werden - dies erkl\u00e4rt, warum die Leitf\u00e4higkeit von hochreinem SiC tendenziell niedriger ist als die handels\u00fcblicher Formen; um dies zu kompensieren, k\u00f6nnen elektrisch leitende Partikel der zweiten Phase bei niedrigen Temperaturen hinzugef\u00fcgt werden und schlie\u00dflich die gB-Leitf\u00e4higkeit auf ein Niveau senken, das den praktischen Anwendungsanforderungen entspricht.<\/p>\n
Siliciumcarbid, gemeinhin als SiC bezeichnet, umfasst eine \u00e4u\u00dferst vielf\u00e4ltige Gruppe von Materialien, die von Keramiken, die aus unreinen SiC-Kristalliten hergestellt werden, die mit verschiedenen Binern unter hoher Temperatur und hohem Druck miteinander verbunden werden, bis hin zu industriellen Wafern reichen, die durch chemische Gasphasenabscheidung oder Vakuumwachstum von SiC-Kristalliten hergestellt werden. Jede Art von Siliciumcarbid weist unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, wie z. B. die elektrische Leitf\u00e4higkeit, was die Vorhersage seiner Leistung f\u00fcr bestimmte Anwendungen erschwert.<\/p>\n
Die Leitf\u00e4higkeit ist eine Eigenschaft der atomaren Struktur, die durch die Zusammensetzung und die Korngr\u00f6\u00dfe des Materials bestimmt wird. Die Leitf\u00e4higkeit eines Siliciumcarbid-Zweikristalls kann durch die Zusammensetzung und Struktur der Korngrenzen sowie durch das Herstellungsverfahren beeinflusst werden. So kann die Leitf\u00e4higkeit des n-Typs von Sauerstoffverunreinigungen an der Grenzfl\u00e4che zum nativen Oxid abh\u00e4ngen, was mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und der nichtlinearen dielektrischen Rastermikroskopie (SNDM) beobachtet werden kann.<\/p>\n
\u00c4hnlich wie bei SiC kann halbleitendes SiC durch Dotierung mit Aluminium, Bor, Gallium oder Stickstoff p-Typ-Eigenschaften aufweisen, w\u00e4hrend eine Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor zu n-Typ-Eigenschaften f\u00fchrt. Eine h\u00f6here Dotierung erh\u00f6ht die elektrische Leitf\u00e4higkeit, doch muss bei Vorhersagen zur Gesamtleitf\u00e4higkeit von Materialien die zunehmende Oberfl\u00e4che ber\u00fccksichtigt werden.<\/p>\n
Der Widerstand einer Korngrenze wird durch ihre atomare Struktur bestimmt, da Fluktuationen im periodischen Atompotenzial von benachbarten Kristallen dazu f\u00fchren, dass Elektronen entlang der Grenze streuen und den Widerstand verringern. Da sich die Atome an den Korngrenzen aufgrund der engeren Abst\u00e4nde an den Grenzen tendenziell dichter anordnen, ist ihr Widerstand tendenziell gr\u00f6\u00dfer als der Innenwiderstand; diese Enge tr\u00e4gt zur Bildung von Oxidmolek\u00fclen bei, die die Leitf\u00e4higkeit weiter verringern; dieser Effekt kann jedoch minimiert werden, indem sie so glatt und dicht wie m\u00f6glich gestaltet werden.<\/p>\n
Siliciumcarbid (SiC) wird wegen seiner h\u00f6heren Leitf\u00e4higkeit, Elektronenbeweglichkeit und geringeren Verlustleistung bei hohen Temperaturen in elektronischen Ger\u00e4ten h\u00e4ufig verwendet. Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich Bauelemente wie Schottky-Dioden und Transistoren, die elektrische Signale in elektronischen Schaltungen verst\u00e4rken, schalten oder umwandeln, leichter herstellen als mit anderen Materialien.<\/p>\n
SiC kann aufgrund des Korngrenzenwiderstands, der durch \u00c4nderungen des periodischen atomaren Potenzials im Vergleich zum SiC-Volumengitter verursacht wird, eine erhebliche Verschlechterung der Leitf\u00e4higkeit erfahren. Da die Elektronen in diesem Bereich mehrere Grenzen \u00fcberqueren, k\u00f6nnen Potenzial\u00e4nderungen zu einer Elektronenstreuung f\u00fchren, die den Widerstand im Vergleich zu dem im Volumenmaterial deutlich erh\u00f6ht.<\/p>\n
Um dieses Ph\u00e4nomen zu verstehen, haben die Forscher die Auswirkungen von Kohlenstoff auf die Leitf\u00e4higkeit von SiC-Polykristallen und -Bikristallen untersucht. Im Rahmen ihres Experiments untersuchten sie einen polierten Bikristall, der 5 Gewichtsprozent Kohlenstoffzusatz enthielt, und analysierten mit Hilfe von Rastersondenmikroskopie-Nanoindentations-Beugungsmessungen die Oberfl\u00e4chenenergie sowohl dieser Probe als auch eines p-Typ-Einkristalls aus SiC. Zur weiteren Veranschaulichung wurden auch EBSD-aufgel\u00f6ste Kornkartierungen, topografische Bilder des Ladungstr\u00e4gertyps sowie topografische Bilder des Ladungstr\u00e4gertyps und der Ladungstr\u00e4gerkonzentration an beiden Proben durchgef\u00fchrt.<\/p>\n
Topografisch gesehen erschien die Oberfl\u00e4che eines Bikristalls flach; Bilder der Ladungstr\u00e4gerart und -konzentration zeigten jedoch einen dunklen Bereich in der N\u00e4he der Korngrenze, der durch Ladungstr\u00e4gerverarmungsschichten verursacht wurde, die durch Sc-Substitution in den Si-Orten des Gitters der SiC-Zusatzzusammensetzung w\u00e4hrend des Sinterns entstanden.<\/p>\n
Die EBSD-Analyse best\u00e4tigte das Vorhandensein einer Verarmungsschicht und zeigte, dass ihre Zusammensetzung SiAlON- und b-Si3N4-Partikel in den Korngrenzen (GBs) enthielt. Au\u00dferdem entsprachen die s-Werte denen, die f\u00fcr SiC in der Masse gefunden wurden. Niedrige s-Werte deuten darauf hin, dass der gr\u00f6\u00dfte Teil der Leitf\u00e4higkeit auf Phononenstreuung und nicht auf freie Elektronen zur\u00fcckzuf\u00fchren ist, was gut zu der Temperaturabh\u00e4ngigkeit der W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit sowohl f\u00fcr unbehandelte als auch f\u00fcr C-SiC-K\u00f6rper passt.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Siliziumkarbid, besser bekannt als Carborundum, ist eine extrem harte chemische Verbindung, die bei unterschiedlichen Temperaturen sowohl metallische als auch isolierende Eigenschaften aufweist. Es wird in industriellen Anwendungen eingesetzt, die eine lange Lebensdauer erfordern. Gr\u00fcnes SiC ist ein extrem hartes und korrosionsbest\u00e4ndiges keramisches Material, das erstmals 1891 von Edward Acheson durch die kombinierte Erhitzung von ...<\/p>\n