Piikarbidi (SiC) on metallien v\u00e4linen kiinte\u00e4 aine, joka sijaitsee jossain s\u00e4hk\u00f6\u00e4 johtavien metallien ja eristeiden v\u00e4liss\u00e4, ja jolla on laajat kaistav\u00e4lit ja suuri elektronien liikkuvuus, mik\u00e4 tekee siit\u00e4 houkuttelevan materiaalivalinnan tehoelektroniikan sovelluksiin.<\/p>\n
Piin kyky vastustaa kemiallisia hy\u00f6kk\u00e4yksi\u00e4 korkeissa l\u00e4mp\u00f6tiloissa ja sen lujuus laajalla l\u00e4mp\u00f6tila-alueella tekev\u00e4t siit\u00e4 ihanteellisen puolijohdeuunien ja termistoreiden vastusl\u00e4mmityselementtien valmistukseen; toisin kuin metallit, pii ei kuitenkaan johda s\u00e4hk\u00f6\u00e4 yht\u00e4 tehokkaasti.<\/p>\n
Piikarbidi (SiC) on eritt\u00e4in kova ja sitke\u00e4 materiaali, jolla on monia ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka voidaan r\u00e4\u00e4t\u00e4l\u00f6id\u00e4 eri sovelluksiin. Koska SiC on eriste matalammissa l\u00e4mp\u00f6tiloissa ja johdin korkeammissa l\u00e4mp\u00f6tiloissa, se on erinomainen materiaalivalinta k\u00e4ytett\u00e4v\u00e4ksi korkean l\u00e4mp\u00f6tilan sovelluksissa, kuten tulenkest\u00e4viss\u00e4 materiaaleissa ja leikkuuty\u00f6kaluissa sek\u00e4 puolijohteiden valmistuksessa, ilmailu- ja avaruusalan komponenttien valmistuksessa ja l\u00e4mm\u00f6nhallintaj\u00e4rjestelmiss\u00e4.<\/p>\n
Piikarbidin vahva, liukenematon kiderakenne tekee siit\u00e4 eritt\u00e4in korroosion- ja kulutuskest\u00e4v\u00e4\u00e4. Mohsin asteikon kovuus on 9, joten se on kovuudeltaan vain yhden askeleen timanttia huonompi. Piikarbidia k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n laajalti hioma-aineena ja se on yksi kovimmista synteettisist\u00e4 materiaaleista. Iskunkest\u00e4vyys ja l\u00e4mm\u00f6nkest\u00e4vyys tekev\u00e4t siit\u00e4 olennaisen raaka-aineen ter\u00e4ksen, tulenkest\u00e4vien keraamisten tuotteiden ja ep\u00e4orgaanisten kemikaalien valmistuksessa.<\/p>\n
SiC on harmaasta ruskeaan vaihteleva liukenematon aine, joka koostuu nelj\u00e4st\u00e4 pii- ja hiilitetraedrist\u00e4, jotka on sidottu toisiinsa kovalenttisin sidoksin, mik\u00e4 tekee siit\u00e4 ep\u00e4orgaanisen materiaalin, jolla on suuri kest\u00e4vyys, joka kest\u00e4\u00e4 happoja ja em\u00e4ksi\u00e4 ja jonka l\u00e4mp\u00f6tila voi nousta jopa 1600 degC:seen. SiC on erinomainen materiaali, kun hiotaan muita karbideja, keramiikkaa tai muita kuin rautametalleja, jotka voivat olla hauraampia tai pehme\u00e4mpi\u00e4 kuin sen kova pintamateriaali.<\/p>\n
Huokoinen piikarbidi on eritt\u00e4in riippuvainen sen kemiallisesta koostumuksesta, k\u00e4sittelyolosuhteista ja mikrorakenteesta, erityisesti sen polytyypist\u00e4, seostustasosta, huokoisuudesta ja lis\u00e4aineiden koostumuksesta (metallinitridit ja karbidit). Lis\u00e4ksi sintrausilmakeh\u00e4ll\u00e4 on suuri vaikutus sen s\u00e4hk\u00f6njohtavuuteen muuttamalla kiteist\u00e4 faasirakennetta ja muuttamalla b-a-siirtymi\u00e4.<\/p>\n
Er\u00e4s tutkimusryhm\u00e4 tutki hiljattain sintrausilmakeh\u00e4n vaikutusta huokoisen SiC:n s\u00e4hk\u00f6njohtavuuteen, jonka koostumus on Y2O3 + AlN. Heid\u00e4n tutkimuksessaan todettiin, ett\u00e4 Ar-sintraus osoittautui paremmaksi sen johtavuuden alentamisessa verrattuna tyhji\u00f6sintraukseen, mik\u00e4 johtui pienemmist\u00e4 b:st\u00e4 a:han muuntumisnopeuksista ja sintratun materiaalin N-dopingista.<\/p>\n
Puhtaan SiC:n Seebeck-kerroin on v\u00e4lill\u00e4 -70 - -200 uV K-1, kun taas kaupallinen SiC-l\u00e4ht\u00f6jauhe sis\u00e4lt\u00e4\u00e4 ilmasta per\u00e4isin olevia N-ep\u00e4puhtauksia, jotka saavat sen johtamaan n-tyypin johtimena. Sen johtavuus voidaan kuitenkin muuttaa p-tyyppiseksi lis\u00e4\u00e4m\u00e4ll\u00e4 3-5% C -lis\u00e4ainetta.<\/p>\n
L\u00e4mp\u00f6tilalla on keskeinen merkitys piikarbidin s\u00e4hk\u00f6njohtavuuteen. Matalammissa l\u00e4mp\u00f6tiloissa piikarbidi k\u00e4ytt\u00e4ytyy pikemminkin eristeen tavoin vastustaen s\u00e4hk\u00f6n kulkua; korkeammissa l\u00e4mp\u00f6tiloissa sen kiderakenne kuitenkin sallii fononien liikkua vapaammin, jolloin s\u00e4hk\u00f6 p\u00e4\u00e4see kulkemaan helpommin.<\/p>\n
Piikarbidi voidaan muuttaa puolijohdeominaisuuksiksi lis\u00e4\u00e4m\u00e4ll\u00e4 siihen huolellisesti ep\u00e4puhtauksia tai seostusaineita, kuten alumiinia, booria tai galliumia seostusaineina; typen tai fosforin lis\u00e4\u00e4minen tuottaa N-tyypin puolijohteen.<\/p>\n
Piikarbidin ominaisuudet tekev\u00e4t siit\u00e4 korvaamattoman arvokkaan materiaalivalinnan suuritehoisissa laitteissa ja huippuluokan teollisissa sovelluksissa. Lis\u00e4ksi sen kemiallinen korroosion- ja kulutuskest\u00e4vyys tekev\u00e4t siit\u00e4 monipuolisen materiaalivalinnan, joka soveltuu huippuluokan k\u00e4ytt\u00f6\u00f6n.<\/p>\n
Tutkijat, joiden tavoitteena on ymm\u00e4rt\u00e4\u00e4 paremmin, miten l\u00e4mp\u00f6tila vaikuttaa piikarbidin johtavuuteen, ovat tutkineet erilaisia komposiitteja ja kuituja saadakseen lis\u00e4\u00e4 tietoa. He ovat esimerkiksi verranneet kemiallisella h\u00f6yryinfiltraatiolla valmistettujen SiC-kuitujen s\u00e4hk\u00f6njohtavuutta polymeerikyll\u00e4stys-pyrolyysin (PIP) avulla valmistettuihin kuituihin. Heid\u00e4n tuloksensa osoittivat, ett\u00e4 PIP-SiC- ja CVI-SiC-materiaalien l\u00e4mm\u00f6njohtavuudet vaihtelivat merkitt\u00e4v\u00e4sti 20-1000 celsiusasteen v\u00e4lill\u00e4.<\/p>\n
Tutkijat analysoivat my\u00f6s hiilipitoisuuden vaikutusta materiaalin johtavuuteen. He havaitsivat, ett\u00e4 n\u00e4ytteiden sintraus Ar:ssa onnistui paremmin v\u00e4hent\u00e4m\u00e4\u00e4n s\u00e4hk\u00f6ist\u00e4 resistiivisyytt\u00e4, mik\u00e4 johtui b:st\u00e4 a:han faasisiirtym\u00e4n v\u00e4henemisest\u00e4 ja n\u00e4ytteiden N-dopioinnista kuin tyhji\u00f6sintraus.<\/p>\n
L\u00e4mm\u00f6njohtavuus parani my\u00f6s hiililis\u00e4yksen lis\u00e4\u00e4ntyess\u00e4, mahdollisesti siksi, ett\u00e4 ylim\u00e4\u00e4r\u00e4inen hiili muodostaa SiC-ristikkoon kiinte\u00e4n liuoksen, joka mahdollistaa vapaamman fononivirran. Lis\u00e4ksi sintraus voi muuttaa SiC-kiteen hilaparametreja ja olla yksi syy siihen, miksi C-SiC- ja Si-SiC-n\u00e4ytteiden Seebeck-kertoimet olivat korkeammat kuin puhtaiden SiC-n\u00e4ytteiden.<\/p>\n
Piikarbidi on eritt\u00e4in kova, kemikaalinkest\u00e4v\u00e4 ja l\u00e4mp\u00f6\u00e4 johtava materiaali, jolla on erinomaiset l\u00e4mm\u00f6njohtavuusominaisuudet ja jota k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n eri teollisuudenaloilla - niin tribologian, s\u00e4hk\u00f6tekniikan, mekaniikan kuin ydinvoiman alalla. Alhaisen kitkan ja kulumisnopeuden ansiosta se mahdollistaa toiminnan pienemm\u00e4ll\u00e4 teholla (P) mutta suuremmalla nopeudella tai py\u00f6rimisnopeudella (V), mik\u00e4 tekee siit\u00e4 erityisen hy\u00f6dyllisen mekaanisissa tiivisteiss\u00e4, joiden on kestett\u00e4v\u00e4 sek\u00e4 puristuskuormitusta ett\u00e4 suuria liukunopeuksia.<\/p>\n
n-tyypin heksagonaalisen piikarbidin luontainen johtavuus on kuitenkin alhainen; sen lis\u00e4\u00e4miseksi ja johtavuuden parantamiseksi edelleen on lis\u00e4tt\u00e4v\u00e4 huokoisuutta matalapaineisen nestefaasin (LPP) tekniikoilla, kuten k\u00e4ytt\u00e4m\u00e4ll\u00e4 0,01 baarin painetta LPP:ss\u00e4 huokosten luomiseksi kiteisiin - paljon halvempaa kuin perinteiset menetelm\u00e4t, kuten kuuma isostaattinen puristus, ja samalla tuotetaan korkealaatuisempia huokoisia piikarbidituotteita.<\/p>\n
Piikarbidin huokoinen rakenne sallii elektronien kulkea vapaasti sen l\u00e4pi, mik\u00e4 pienent\u00e4\u00e4 sen s\u00e4hk\u00f6ist\u00e4 vastusta ja lis\u00e4\u00e4 johtavuutta. T\u00e4m\u00e4 vaikutus saavutetaan sen kaistanraon l\u00e4hell\u00e4 muodostuvien energiatasojen avulla, joita voidaan muuttaa k\u00e4ytt\u00e4m\u00e4ll\u00e4 erilaisia lis\u00e4aineita, kuten C- ja N2-akseptoreita, jotka v\u00e4hent\u00e4v\u00e4t s\u00e4hk\u00f6ist\u00e4 vastusta, kun taas B- ja V-donorit lis\u00e4\u00e4v\u00e4t sit\u00e4.<\/p>\n
Halutun huokoisuuden saavuttamiseksi on t\u00e4rke\u00e4\u00e4, ett\u00e4 sintrausparametreja hallitaan huolellisesti. Lis\u00e4ksi prosessin olisi tapahduttava olosuhteissa, joissa mikrorakenteen eheys s\u00e4ilyy - esimerkiksi lis\u00e4\u00e4m\u00e4ll\u00e4 polymeerihajotteita raakapanokseen. N\u00e4in voidaan hallita huokosten kokoa, muotoa, m\u00e4\u00e4r\u00e4\u00e4 ja huokoisuutta sintrauksen aikana; t\u00e4st\u00e4 johtuu termi controlled porosity silicon carbide tai PCSSC.<\/p>\n
Yksi huokoisen SiC:n ensisijaisista k\u00e4ytt\u00f6kohteista on mekaaniset tiivisteosat, joiden on kestett\u00e4v\u00e4 sek\u00e4 suurta PV- ett\u00e4 liukunopeutta ja samalla my\u00f6s l\u00e4mp\u00f6tilanvaihteluita. T\u00e4llaiset ominaisuudet tekev\u00e4t huokoisesta SiC:st\u00e4 korvaamattoman arvokkaan komponentin paitsi mekaanisissa tiivisteiss\u00e4 my\u00f6s monissa muissa sovelluksissa, joissa vaaditaan alhaisia kitka- ja kulumisnopeuksia, joita kaupallisesti saatavilla olevat materiaalit eiv\u00e4t ole viel\u00e4 viime aikoina helposti t\u00e4ytt\u00e4neet. Uuden teknologian ansiosta on kuitenkin nyt saatavilla PCSSC-sukupolvi, joka soveltuu monenlaisiin teollisiin sovelluksiin.<\/p>\n
Piikarbidia voidaan muuttaa eri s\u00e4hk\u00f6isten ominaisuuksien aikaansaamiseksi seostamalla sit\u00e4. Doping tarkoittaa, ett\u00e4 kiderakenteeseen lis\u00e4t\u00e4\u00e4n ep\u00e4puhtauksia, jotka luovat enemm\u00e4n vapaita varauksenkuljettajia (elektroneja tai reiki\u00e4). Dopingilla voidaan lis\u00e4t\u00e4 tai v\u00e4hent\u00e4\u00e4 piikarbidin s\u00e4hk\u00f6njohtavuutta; dopingia k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n laajalti puolijohdeteollisuudessa tehokkaana keinona s\u00e4\u00e4dell\u00e4 materiaalin ominaisuuksia.<\/p>\n
Piikarbidin seostaminen edellytt\u00e4\u00e4, ett\u00e4 sen kiderakenteeseen tuodaan ep\u00e4puhtauksia, joilla on alhaisempi valenssielektronien m\u00e4\u00e4r\u00e4 kuin SiC-atomeilla, jolloin sen kaistanraossa syntyy tyhj\u00e4 elektronitila, joka voidaan sitten t\u00e4ytt\u00e4\u00e4 l\u00e4mp\u00f6her\u00e4tetyill\u00e4 valenssikaistan elektroneilla; t\u00e4m\u00e4 prosessi tuottaa niin sanotun N-tyypin puolijohteen; t\u00e4m\u00e4n ominaisuuden muuttamiseksi edelleen p-tyypin puolijohde voidaan muodostaa korvaamalla joitakin SiC-atomeja sellaisilla, joilla on enemm\u00e4n valenssi- ja valenssi-elektroneita, kuten Al-, Be-, Boro- tai Gallium-atomeilla, jotka voivat tuottaa samankaltaisen vaikutuksen, mik\u00e4 puolestaan luo N-tyypin puolijohteen, joka voi johtaa my\u00f6s seostettuun puolijohteeseen.<\/p>\n
Useimmissa puolijohdelaitteissa yhdistet\u00e4\u00e4n N- ja p-tyypin puolijohteet PN-liitoksessa ja k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n sit\u00e4 eteenp\u00e4in suuntautuvalla etusijauksella s\u00e4hk\u00f6njohtavuuden lis\u00e4\u00e4miseksi indusoimalla elektronien virtaus yhdest\u00e4 puolijohteesta toiseen p-tyypin puolijohteen positiivisen sis\u00e4\u00e4nrakennetun potentiaalin aiheuttaman etusuuntaisen etusijauksen avulla, jotta elektronit virtaisivat vapaammin N-tyypin puolijohteeseen, mik\u00e4 lis\u00e4\u00e4 s\u00e4hk\u00f6njohtavuutta.<\/p>\n
Ohminen johtuminen tapahtuu, kun elektronien energia haihtuu puolijohdemateriaalin sis\u00e4ll\u00e4 ja tuottaa l\u00e4mp\u00f6\u00e4, mik\u00e4 lis\u00e4\u00e4 sen s\u00e4hk\u00f6njohtavuutta ja siten laitteen l\u00e4mp\u00f6tilaa voidaan muuttaa muuttamalla j\u00e4nnitett\u00e4.<\/p>\n
Huokoisen piikarbidin s\u00e4hk\u00f6njohtavuus riippuu useista muuttujista, kuten seostuspitoisuudesta, l\u00e4mp\u00f6tilasta ja s\u00e4hk\u00f6kent\u00e4st\u00e4. Kahdenlaista huokoista piikarbidia koskeva tutkimus osoitti, ett\u00e4 4H-SiC:n s\u00e4hk\u00f6njohtavuus oli suurempi kuin 6H-SiC:n; lis\u00e4ksi dopingaineet ja huokoisuus vaikuttavat merkitt\u00e4v\u00e4sti sen s\u00e4hk\u00f6njohtavuuteen.<\/p>\n
Huokoista piikarbidia k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n useimmiten komposiiteissa ja kuiduissa, ja sen suosituimpia sovelluksia ovat komposiitit, jotka on valmistettu piidioksidia ja metallia sis\u00e4lt\u00e4vist\u00e4 matriiseista, sek\u00e4 hiilirikkaat kuidut, jotka on luotu kemiallisella h\u00f6yryinfiltraatiolla tai polymeerikyll\u00e4stys-pyrolyysiprosesseilla. Eri yritykset myyv\u00e4t erityyppist\u00e4 piikarbidia sovelluksen ja haluttujen ominaisuuksien mukaan - esimerkiksi Matmatchilla on laaja valikoima eri piikarbidivalmistajien tuotteita.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Silicon carbide (SiC) is an intermetallic solid that lies somewhere between metals (which conduct electricity) and insulators, with wide band gaps and high electron mobility, making it an attractive material choice for power electronics applications. Silicon’s ability to resist chemical attack at high temperatures and its strength across a broad temperature range make it ideal …<\/p>\n