Mi a szilícium-karbid?

A szilíciumkarbid az egyik legkeményebb ismert anyag, Mohs-keménysége nagyobb, mint a gyémánté. Mechanikai tulajdonságai közé tartozik továbbá a kiváló szakítószilárdság és a Young-modulus értéke.

A grafén elektromos tulajdonságai közé tartozik a nagy telítési elektronmozgékonyság és a feszültség-átbomlási ellenállás, ami alkalmassá teszi a nagy teljesítményű elektronikában, például inverterekben való felhasználásra.

Kémiai összetétel

A szilíciumkarbid (SiC) szénből és szilíciumból álló, kovalens kötésszerkezetű ötvözet. A SiC úgy állítható elő, hogy a szén és a szilícium-dioxid keverékét elektromos ellenálláskemencében 1700-2500 °C közötti hőmérsékleten reagáltatják; ennek során egy tömör, henger alakú ingot kapunk, amely grafitból, alfa SiC-ből, béta SiC kohászati minőségű anyagból, valamint a külső felületeken lévő, nem reagált anyagból áll.

A SiC sárgától a zöldtől a kékesfekete színűig terjedő, 3,21 g cm-3 sűrűségű kristályos forma, amely 2700 °C-on szublimál; folyékony lúgokban és vasban oldódó oldatokban is oldódik.

A SiC polikristályos anyag, amelynek belső mikroszerkezete a polikristályos típustól és a kialakulás módjától függően változó, és széleskörű tulajdonságokkal rendelkezik. Az a-SiC és a b-SiC polimorfok közötti egyik legfontosabb különbség a kristályrendszerükben rejlik: az a-SiC esetében hexagonális wurtzit, a wolframkarbid (WC) esetében pedig romboéderes - bár az utóbbi olvadáspontja alacsonyabb, 1875 °C, mint a másiké, így ez a polimorfok közül ez a népszerűbb választás.

Fizikai tulajdonságok

A kristályos SiC háromdimenziós rácsszerkezetben elhelyezkedő szilícium- és szénatomokból áll, amelyek a rétegek között kovalens kötéseket képeznek, ami magas olvadáspontot és belső oxidációval szembeni ellenállást biztosít ennek az anyagnak, miközben hozzájárul a keménységéhez.

A kristályos SiC elektromos tulajdonságai a polytípustól (kubikus, hexagonális vagy rombuszos) függnek. Mindegyik polytípus a Si- és szénatomok kristályrácson belüli eltérő elrendezése miatt sajátos félvezető elektronikai tulajdonságokkal rendelkezik.

Egy tipikus gyártási folyamat során a tiszta SiC-t magas hőmérsékleten, argongáz atmoszférában szublimálják, majd a Lely eljárásával magkristályokra kristályosítják, és így egykristályokat hoznak létre, amelyeket a jól bevált eljárási lépésekkel tovább feldolgoznak a teljesítményelektronikai alkalmazásokhoz.

Mechanikai tulajdonságok

A szilíciumkarbid kemény, kopásálló tulajdonságai miatt kiváló csiszolóanyag a modern lapidáriumban. Ezenkívül a szilíciumkarbidot tűzálló bélésanyagként is használják ipari kemencékben, valamint csiszolókorongok és vágószerszámok gyártásához.

A SiC mechanikai tulajdonságai jelentősen változnak a formázási és égetési folyamatok, a szemcseméret, a tisztaság, a sztöchiometria és a pórusszerkezet alapján a tömörített testben. A hőmérsékletnek óriási hatása van ezekre a tulajdonságokra, amelyek még a különböző források között is nagymértékben eltérhetnek.

A sűrű SiC Young-modulusa 20°C-on körülbelül 400-450 GNm-2, 1500°C-on 360-400 GNm-2; a nyírószilárdság ennek az értéknek a felét teszi ki; a hajlítószilárdságot nehéz mérni az ilyen anyagok esetében; az irodalomban szereplő értékek 20°C-on 500-660 MNm-2, 1500°C-on pedig 5000-6000 MNm-2 között mozognak; a kúszásállóság kiváló, míg a húzófeszültségnek ésszerű szinten kell maradnia a repedés és törés kialakulásának megelőzése érdekében.

Elektromos tulajdonságok

A szilícium-karbid képes ellenállni a magas hőmérsékletnek és a kémiai reakcióknak, így védelmet nyújt a lebomlás ellen a zord környezetben. Sajnos azonban ez a rideg és kemény anyag szobahőmérsékleten körülbelül 4 GHzPa szakítószilárdságot ér el (Engineering Property Data' 1979).

A SiC kiváló elektromos vezetőképességéről és alacsony ellenállásáról ismert; ez teszi alkalmassá a teljesítmény- és rádiófrekvenciás elektronikai alkalmazásokhoz, mivel alacsony ellenállása és magas telítési elektronmozgékonysága nagyszerűen kihasználható. Továbbá a SiC tartóssága kiterjed a sugárzásállóságra és a termikus sokkokkal szembeni ellenállásra, valamint a hosszú élettartamra is.

A gyártók különböző eljárásokat alkalmaznak a köbös SiC előállítására. Az egyik módszer a reakciókötésű SiC, amelyet porított szén és lágyítószer keverésével és égetésével állítanak elő; a későbbi infúzió során gáznemű szilíciumot vagy olvasztott szenet adhatnak hozzá, hogy további SiC-t képezzenek. Egy másik megközelítés a kémiai gőzfázisú leválasztást alkalmazza, amelynek során gázok jutnak be egy vákuumkamrába, mielőtt a szubsztrátokra leválasztják a növekedést; ez a technológia népszerűnek bizonyult a félvezetőiparban.