Μονοκρυσταλλικό καρβίδιο πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια εξαιρετικά σκληρή χημική ένωση πυριτίου και άνθρακα που εμφανίζεται στη φύση ως ορυκτό μοισσανίτη, αν και η παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα ξεκίνησε το 1893 για χρήση ως λειαντικό υλικό και σε εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετική αντοχή, όπως τα φρένα αυτοκινήτων και τα αλεξίσφαιρα γιλέκα.

Η τεχνολογία Physical Vapor Transport Growth Technology επέτρεψε την παραγωγή υποστρωμάτων SiC υψηλής ποιότητας 4 ιντσών χωρίς μικροσωλήνες τύπου n1. Ωστόσο, η περαιτέρω μείωση των εκτεταμένων ατελειών παραμένει ζωτικής σημασίας για τη βελτίωση της απόδοσης και της αξιοπιστίας της διάταξης.

Φυσικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα IV-IV ομοιοπολική ένωση ημιαγωγών που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα σε ίση αναλογία σχηματίζοντας τέσσερις ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ κάθε ατόμου Si και άνθρακα.

Το ευρύ χάσμα ζώνης του SiC του επιτρέπει να λειτουργεί αποτελεσματικά σε υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις, καθιστώντας το κατάλληλο για συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος. Επιπλέον, η θερμική του αγωγιμότητα, η σταθερότητα και η σκληρότητά του το καθιστούν εξαιρετική επιλογή για ψύκτρες και υποστρώματα σε ηλεκτρονικές συσκευές, συμβάλλοντας στην αποτελεσματικότερη απαγωγή της θερμότητας σε σχέση με εναλλακτικά υλικά.

Οι φυσικές ιδιότητες του SiC εξασφαλίζουν υψηλή ακρίβεια και ομοιομορφία κατά την κατασκευή συσκευών όπως οι δίοδοι εκπομπής φωτός και τα λέιζερ, καθώς και εργαλεία λείανσης και κοπής. Το SiC παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στην κατασκευή κατόπτρων τηλεσκοπίων λόγω του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής και της ακαμψίας του- ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής του αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ η ακτινοβολία το προστατεύει. Τέλος, το SiC επιδεικνύει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση έναντι όξινων, αλκαλικών και οξειδωτικών περιβαλλόντων.

Χημικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι μια αξιοσημείωτη ένωση με μοναδικές χημικές και φυσικές ιδιότητες που το καθιστούν πολύτιμη επιλογή για βιομηχανίες που απαιτούν ανθεκτικά εξαρτήματα που μπορούν να αντέξουν σε ακραία περιβάλλοντα.

Το SiC αποτελείται από στενά συνδεδεμένα άτομα πυριτίου και άνθρακα που συνδέονται μεταξύ τους σε μια ακανόνιστη εξαγωνική δομή πλέγματος, η οποία προσδίδει στην ουσία αυτή την αξιοσημείωτη σκληρότητά της, κατατάσσοντας την τρίτη θέση στην κλίμακα Mohs πίσω από το διαμάντι και το καρβίδιο του βορίου.

Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν επίσης αυτό το υλικό εξαιρετικά ανθεκτικό: η υψηλή θερμική αγωγιμότητά του αντέχει σε ακραίες θερμοκρασίες, ενώ η ικανότητά του να διατηρεί το σχήμα του υπό πίεση παραμένει αμείωτη, και έχει χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής που συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση των αλλαγών των διαστάσεων κατά τη διάρκεια διακυμάνσεων της θερμοκρασίας.

Η κρυσταλλική δομή του SiC επιτρέπει επίσης τον σχηματισμό προστατευτικών επιστρώσεων για την προστασία του από χημικές αντιδράσεις που θα οδηγούσαν σε υποβάθμιση. Λόγω αυτής της αντίστασης στη διάβρωση, το SiC αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού για εφαρμογές που απαιτούν μακροχρόνιες επιδόσεις σε σκληρά περιβάλλοντα λειτουργίας, καθώς και αντοχή σε μεγάλες μηχανικές καταπονήσεις ή πιέσεις.

Μηχανικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου, που αναφέρεται επίσης ως κορούνδιο ή καρβορουνδία, είναι μια ανόργανη χημική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα και σχηματίζει ημιαγωγούς με ευρύ χάσμα ζώνης με πρόσμιξη αζώτου ή φωσφόρου για καρβίδιο πυριτίου τύπου n ή με πρόσμιξη βορίου ή αλουμινίου για καρβίδιο τύπου p.

Το καρβίδιο του πυριτίου ξεχωρίζει μεταξύ των υλικών λόγω της στενά στοιβαγμένης δομής του από άτομα Si και C, που το καθιστά εξαιρετικά ισχυρό. Μια από τις σκληρότερες ουσίες στη Γη, το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει επίσης υψηλό σημείο τήξης και εξαιρετικές ιδιότητες θερμικής αγωγιμότητας.

Η ακαμψία και ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής του καρβιδίου του πυριτίου το έχουν καταστήσει επιθυμητό υλικό για κάτοπτρα τηλεσκοπίων όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Herschel. Άλλες χρήσεις του μονοκρυσταλλικού καρβιδίου του πυριτίου περιλαμβάνουν φρένα και συμπλέκτες αυτοκινήτων, κεραμικές πλάκες σε αλεξίσφαιρα γιλέκα, παραγωγή συνθετικού μοισσανίτη, σημαντικά μεγαλύτερο βάθος μετάβασης του μονοκρυσταλλικού καρβιδίου του πυριτίου μεταξύ όλκιμης-εύθραυστης μετάβασης σε θραύση, καθώς και χαρακτηριστικά μορφολογίας γρατσουνιών κατά την κατεργασία των επιπέδων Si και C κατά την ανάλυση FIB SEM.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του μονοκρυσταλλικού καρβιδίου του πυριτίου έχουν αποτελέσει αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας παγκοσμίως, καθώς διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο στη δημιουργία ηλεκτρονικών διατάξεων υψηλής απόδοσης με ευρύ χάσμα ζώνης.

Έχουν αναπτυχθεί εκρηκτικά πολλές τεχνικές για τη μέτρηση της συγκέντρωσης φορέων και της ειδικής αντίστασης των πλακιδίων SiC. Αυτές οι τεχνικές χαρακτηρισμού μπορούν να ανιχνεύσουν όλες τις προσμίξεις που υπάρχουν σε αυτά. Για τη μέτρηση αυτών των παραμέτρων συμμετρικά σε πλευρικές ή διατομικές περιοχές με τη χρήση τεχνικών ηλεκτρικών ανιχνευτών σάρωσης ή εργαλείων χαρτογράφησης ειδικής αντίστασης χωρίς επαφή.

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ανόργανο στερεό που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα σε στοιχειομετρική αναλογία, σχηματίζεται ως στοιχειακή ένωση γνωστή ως πολύτιμος λίθος μοισσανίτης, παράγεται μέσω της διαδικασίας Lely και χρησιμοποιείται ως λειαντικό, καθώς και για χρήση σε ηλεκτρονικές συσκευές και ως μέρος των διαδικασιών κατασκευής ηλεκτρονικών συσκευών. Το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί ένα από τα σκληρότερα φυσικά υλικά με ανώτερες ιδιότητες αντοχής στη φθορά, αντοχής και θερμικής αγωγιμότητας σε σύγκριση με παρόμοια υλικά που συναντώνται αλλού.