Apa Itu Silikon Karbida?

Silikon karbida, lebih sering disebut sebagai Carborundum, adalah senyawa kimia yang sangat keras dengan sifat logam dan isolator pada suhu yang berbeda. Digunakan dalam aplikasi industri yang membutuhkan aplikasi yang tahan lama.

Green SiC adalah bahan keramik yang sangat keras dan tahan korosi yang pertama kali disintesis oleh Edward Acheson pada tahun 1891 melalui pemanasan gabungan pasir silika dan kokas minyak bumi dalam tungku khusus. Bahan ini memiliki sifat yang luar biasa termasuk ketahanan yang baik terhadap korosi, kekuatan mekanik yang tinggi, ekspansi termal yang rendah dan ketahanan goncangan termal yang luar biasa.

Konduktivitas Intrinsik

Silikon karbida (SiC) adalah bahan luar biasa yang dicirikan oleh kekuatan dan kekerasan yang unggul, kelembaman kimiawi, ketahanan terhadap guncangan termal, dan sifat celah lebar yang membuatnya cocok untuk banyak aplikasi industri yang menuntut, seperti bantalan geser, suku cadang aus, cawan lebur, alat bantu sintering komponen semikonduktor, serta nosel pembakar.

SiC bertindak seperti isolator ketika diproduksi murni; tetapi dengan penambahan pengotor atau dopan yang terkontrol, SiC dapat menunjukkan sifat semi-konduktor. Dopan aluminium, boron, atau galium menghasilkan semikonduktor tipe-P; menambahkan dopan fosfor atau nitrogen menghasilkan semikonduktor tipe-N. Kemampuan mereka untuk mengubah konsentrasi elektron dan lubang - perbedaan antara jumlah mereka dalam pita konduksi dan valensi - secara langsung berkorelasi dengan konduktivitas.

Konduktivitas intrinsik semikonduktor ditentukan oleh beberapa faktor, termasuk energi Fermi, ketinggian pita valensi dan konduksi, mobilitas elektron pada pita konduksi, dan muatan per elektron. Ketika lebih banyak atom dalam pita valensi terikat pada orbital atom induknya, mereka memiliki energi Fermi yang lebih rendah yang membuat mereka lebih kecil kemungkinannya untuk dipromosikan ke dalam konduksi melalui getaran termal kisi SiC (emisi fonon). Pada suhu kamar, pembawa muatan intrinsik terdistribusi secara merata di kedua pita dengan jumlah elektron dan lubang yang sama per pita - membuat konduktor yang lebih baik secara keseluruhan.

Namun, ketika dipanaskan hingga suhu tinggi, pita valensinya menjadi kosong sebagian karena atom silikon tidak lagi mengalami getaran termal yang cukup untuk menggairahkan mode getarannya secara memadai. Hal ini menyebabkan sebagian elektron valensi menyeberang ke pita konduksi dan secara signifikan meningkatkan konduktivitas.

Ketika suhu terus meningkat, elektron dan lubang bergabung kembali hingga titik keseimbangan tercapai pada suhu karakteristik semikonduktor. Konduktivitas selanjutnya dapat ditingkatkan dengan menggunakan arus listrik atau radiasi elektromagnetik untuk merangsang pembangkitan dan rekombinasi pasangan elektron-lubang yang memungkinkan perangkat elektronik seperti dioda dan transistor beroperasi pada tegangan dan frekuensi yang lebih tinggi tanpa mengorbankan keandalan.

Konduktivitas pada Batas Butir

Silikon karbida memiliki struktur kristal yang rumit dengan banyak polytype. Polytype tertentu dapat diidentifikasi berdasarkan jumlah dan lokasi atom karbon dalam lapisannya; setiap urutan penumpukan menghasilkan kombinasi orientasi yang unik karena pertimbangan energi (translasi dan rotasi lateral keduanya dimungkinkan), yang mengarah pada ratusan kemungkinan konfigurasi per lapisan dalam sampel eksperimental SiC.

Untuk memahami konduktivitas SiC dengan lebih baik, perlu untuk mempertimbangkan semua arah yang mungkin dari transportasi muatan. Untuk melakukannya, pengukuran impedansi kompleks dilakukan pada sampel yang batas butirnya (GB) telah diidentifikasi melalui analisis EBSD dan dimasukkan ke dalam model yang mempertimbangkan konduktivitas curah dan GB; hasilnya menunjukkan bahwa konduktivitas GB adalah gaya dominan yang menentukan sifat transpor listrik secara keseluruhan pada suhu tinggi.

Konduktivitas gB sangat bergantung pada suhu dan ukuran butir, dengan prosedur pendinginan dan pengotor yang ada pada batas butir juga memiliki pengaruh. Gambar 5a mengilustrasikan hubungan ini dengan membandingkan konduktivitas ionik butir yang diperoleh melalui penelitian ini dengan nilai literatur untuk keramik tuang lebur; Anda dapat melihat bahwa kecocokannya dengan nilai literatur untuk keramik tuang lebur sangat dekat; setiap perbedaan yang dilaporkan kemungkinan berasal dari perbedaan metode persiapan sampel pelet yang digunakan untuk pengukuran, penyesuaian impedansi yang tidak akurat atau perhitungan sirkuit ekuivalen yang tidak tepat.

Biasanya, konduktivitas gB menurun dengan meningkatnya suhu dan kandungan pengotor; efek ini jauh lebih kecil untuk bahan murni yang mengandung fase kedua dalam jumlah yang signifikan dibandingkan dengan bahan yang mengandung fase kedua dalam jumlah yang signifikan. Ketika suhu naik, mobilitas elektron menurun; mereka menjadi lebih mungkin terperangkap pada struktur gB yang terhalang oleh cacat struktural - dengan demikian menjelaskan mengapa tingkat konduktivitas SiC dengan kemurnian tinggi cenderung lebih rendah daripada bentuk yang tersedia secara komersial; untuk mengimbangi hal ini, partikel fase kedua yang menghantarkan listrik pada suhu rendah dapat ditambahkan dan pada akhirnya mengurangi konduktivitas gB ke tingkat yang memenuhi kebutuhan aplikasi praktis.

Konduktivitas pada Permukaan Butir

Silikon karbida, umumnya disebut sebagai SiC, mengacu pada kelompok bahan yang sangat beragam mulai dari keramik yang dibuat dari kristalit SiC tidak murni yang diikat bersama menggunakan berbagai binder di bawah suhu dan tekanan tinggi hingga wafer industri yang diproduksi melalui pengendapan uap kimiawi atau pertumbuhan kristalit SiC secara vakum. Setiap jenis silikon karbida menunjukkan sifat fisik yang berbeda seperti konduktivitas listrik yang membuat prediksi kinerjanya untuk aplikasi tertentu menjadi lebih menantang.

Konduktivitas adalah properti struktur atom, ditentukan oleh komposisi material dan ukuran butir. Konduktivitas bikristal silikon karbida dapat dipengaruhi oleh komposisi dan struktur batas butir serta metode pembentukan; misalnya, konduktivitas tipe-n dapat bergantung pada pengotor oksigen pada antarmuka dengan oksida asli - sesuatu yang diamati dengan menggunakan pemindaian mikroskop elektron dan pemindaian mikroskop dielektrik nonlinier (SNDM).

Mirip dengan SiC, semikonduktor SiC dapat dibuat untuk menampilkan karakteristik tipe-p dengan mendopingnya dengan aluminium, boron, galium, atau doping nitrogen - sementara mendopingnya dengan nitrogen atau fosfor menghasilkan karakteristik tipe-n. Peningkatan doping meningkatkan konduktivitas listrik tetapi harus memperhitungkan peningkatan luas permukaan ketika membuat prediksi mengenai konduktivitas keseluruhan bahan.

Resistansi batas butir ditentukan oleh struktur atomnya, karena fluktuasi potensial atom periodik dari kristal yang berdekatan menyebabkan elektron tersebar di sepanjang batasnya dan menurunkan resistivitas. Karena atom cenderung mengelompok lebih padat pada batas butir karena jarak yang lebih dekat pada batas, resistivitasnya cenderung lebih besar daripada resistivitas interior; kedekatan ini berkontribusi pada pembentukan molekul oksida yang mengurangi konduktivitas lebih lanjut; tetapi efek ini dapat diminimalkan dengan mendesainnya agar sehalus dan sepadat mungkin.

Konduktivitas pada Interval Butir

Silikon karbida (SiC) telah digunakan secara luas dalam perangkat elektronik karena konduktivitasnya yang lebih tinggi, mobilitas elektron, dan mengurangi kehilangan daya pada suhu tinggi. Karena sifat ini, memungkinkan perangkat seperti dioda Schottky dan transistor yang memperkuat, mengalihkan atau mengubah sinyal listrik di sirkuit elektronik untuk dibuat lebih mudah dibandingkan dengan bahan lainnya.

SiC dapat mengalami degradasi konduktivitas yang signifikan karena resistansi batas butir, yang disebabkan oleh perubahan potensial atom periodik relatif terhadap kisi SiC curah. Ketika elektron melintasi beberapa batas dalam wilayah ini, perubahan potensial dapat menyebabkan hamburan elektron yang secara signifikan meningkatkan resistensi dibandingkan dengan yang ditemukan dalam bahan curah.

Para peneliti telah menyelidiki efek karbon pada konduktivitas polikristal dan bikristal SiC untuk memahami fenomena ini. Sebagai bagian dari percobaan mereka, mereka mempelajari bikristal yang dipoles yang mengandung 5 persen berat aditif karbon, menggunakan pemindaian probe mikroskop-pengukuran difraksi nanoindentasi untuk menganalisis pengukuran energi permukaan dari spesimen ini dan kristal tunggal tipe-p dari SiC. Mereka juga melakukan pemetaan butiran yang diselesaikan dengan EBSD, gambar jenis pembawa topografi serta gambar jenis pembawa topografi / konsentrasi pada masing-masing untuk kejelasan lebih lanjut.

Secara topografi, permukaan bikristal tampak rata; namun, gambar jenis pembawa dan konsentrasi menunjukkan area gelap di dekat batas butir yang disebabkan oleh lapisan penipisan pembawa yang disebabkan oleh substitusi Sc pada situs Si pada kisi-kisi komposisi aditif SiC selama sintering.

Analisis EBSD mengkonfirmasi keberadaan lapisan deplesi dan menunjukkan bahwa komposisinya termasuk partikel SiAlON dan b-Si3N4 dalam batas butirnya (GB). Selain itu, nilai s mereka mencerminkan nilai yang ditemukan untuk SiC curah. Selain itu, nilai s yang rendah menunjukkan bahwa sebagian besar konduktivitas berasal dari hamburan fonon daripada elektron bebas; yang sesuai dengan ketergantungan suhu konduktivitas termal untuk benda murni dan benda C-SiC.