Che cos'è il carburo di silicio?

Il carburo di silicio, più comunemente chiamato Carborundum, è un composto chimico estremamente duro con proprietà sia metalliche che isolanti a diverse temperature. Viene utilizzato nelle applicazioni industriali che richiedono applicazioni di lunga durata.

Il SiC verde è un materiale ceramico estremamente duro e resistente alla corrosione, sintetizzato per la prima volta da Edward Acheson nel 1891 attraverso il riscaldamento combinato di sabbia silicea e coke di petrolio in un forno speciale. Vanta proprietà eccezionali, tra cui una buona resistenza alla corrosione, un'elevata forza meccanica, una bassa espansione termica e una notevole resistenza agli shock termici.

Conduttività intrinseca

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale eccezionale, caratterizzato da una forza e una durezza superiori, dall'inerzia chimica, dalla resistenza agli shock termici e dalle proprietà dell'ampio bandgap che lo rendono adatto a molte applicazioni industriali esigenti, come cuscinetti a scorrimento, parti soggette a usura, crogioli, componenti per semiconduttori con ausilio alla sinterizzazione e ugelli per bruciatori.

Il SiC si comporta come un isolante quando viene prodotto puro, ma con l'aggiunta controllata di impurità o droganti può presentare proprietà semiconduttive. I droganti alluminio, boro o gallio producono semiconduttori di tipo P; l'aggiunta di droganti fosforo o azoto crea semiconduttori di tipo N. La loro capacità di alterare la concentrazione di elettroni e buche - la differenza tra il loro numero nelle bande di conduzione e di valenza - è direttamente correlata alla conduttività.

La conduttività intrinseca di un semiconduttore è determinata da diversi fattori, tra cui l'energia di Fermi, l'altezza delle bande di valenza e di conduzione, la mobilità degli elettroni nella banda di conduzione e la carica per elettrone. Quando più atomi nella banda di valenza sono legati ai loro orbitali atomici parentali, hanno energie di Fermi più basse che li rendono meno propensi a essere promossi alla conduzione attraverso le vibrazioni termiche del reticolo di SiC (emissione di fononi). A temperatura ambiente, i portatori di carica intrinseci sono distribuiti in modo uniforme su entrambe le bande, con un numero uguale di elettroni e buchi per banda, il che rende il conduttore complessivamente migliore.

Tuttavia, se riscaldato a temperature elevate, la sua banda di valenza diventa parzialmente vuota, poiché gli atomi di silicio non subiscono più vibrazioni termiche sufficienti a eccitare i loro modi vibrazionali. Questo fa sì che alcuni degli elettroni di valenza passino nella banda di conduzione, aumentando significativamente la conduttività.

Con l'aumento della temperatura, gli elettroni e le buche si ricombinano fino a raggiungere un punto di equilibrio alla temperatura caratteristica del semiconduttore. La conduttività può essere ulteriormente aumentata utilizzando correnti elettriche o radiazioni elettromagnetiche per stimolare la generazione e la ricombinazione di coppie elettrone-buco, consentendo a dispositivi elettronici come diodi e transistor di funzionare a tensioni e frequenze più elevate senza compromettere l'affidabilità.

Conduttività ai confini dei grani

Il carburo di silicio possiede una struttura cristallina intricata con numerosi politipi. Un particolare politipo può essere identificato dal numero e dalla posizione degli atomi di carbonio nei suoi strati; ogni sequenza di impilamento genera combinazioni di orientamento uniche a causa di considerazioni energetiche (sono possibili sia traslazioni laterali che rotazioni), portando a centinaia di possibili configurazioni per strato in un campione sperimentale di SiC.

Per comprendere meglio la conduttività del SiC, è necessario considerare tutte le possibili direzioni del trasporto di carica. A tal fine, sono state effettuate misure di impedenza complessa su campioni i cui confini dei grani (GB) erano stati identificati tramite analisi EBSD e adattati a un modello che considerava sia la conduttività del bulk che quella dei GB; i risultati mostrano che la conduttività dei GB è la forza dominante che determina le proprietà complessive di trasporto elettrico a temperature elevate.

La conduttività gB dipende fortemente dalla temperatura e dalla dimensione dei grani, con l'influenza della procedura di raffreddamento e delle impurità presenti ai confini dei grani. La Figura 5a illustra questa relazione confrontando la conduttività ionica dei grani ottenuta con questo lavoro con i valori di letteratura per le ceramiche fuse; si può notare che la corrispondenza con i valori di letteratura per le ceramiche fuse è molto vicina; le eventuali variazioni riportate derivano probabilmente da differenze nel metodo di preparazione dei campioni di pellet utilizzati per la misurazione, da un adattamento impreciso dell'impedenza o da calcoli errati dei circuiti equivalenti.

In genere, la conduttività del gB diminuisce con l'aumentare della temperatura e del contenuto di impurità; questo effetto è molto meno pronunciato per i materiali puri che non contengono quantità significative di seconde fasi. Con l'aumento della temperatura, la mobilità degli elettroni diminuisce; è più probabile che essi rimangano intrappolati nelle strutture gB ostacolate da difetti strutturali, spiegando così perché i livelli di conduttività del SiC ad alta purezza tendono ad essere inferiori a quelli delle forme disponibili in commercio; per compensare questo fenomeno, è possibile aggiungere particelle di seconda fase elettricamente conduttive a bassa temperatura, che finiscono per ridurre la conduttività gB a livelli che soddisfano le esigenze delle applicazioni pratiche.

Conduttività sulle superfici dei grani

Il carburo di silicio, comunemente chiamato SiC, si riferisce a un gruppo estremamente eterogeneo di materiali che vanno dalle ceramiche prodotte da cristalli di SiC impuri legati tra loro utilizzando vari binatori ad alta temperatura e pressione fino ai wafer industriali prodotti tramite deposizione chimica da vapore o crescita sotto vuoto di cristalli di SiC. Ogni tipo di carburo di silicio presenta proprietà fisiche distinte, come la conducibilità elettrica, che rendono più difficile la previsione delle sue prestazioni per applicazioni specifiche.

La conduttività è una proprietà della struttura atomica, determinata dalla composizione del materiale e dalla dimensione dei grani. La conducibilità di un bicristallo di carburo di silicio può essere influenzata dalla composizione e dalla struttura dei bordi dei grani e dal metodo di formazione; ad esempio, la sua conducibilità di tipo n può dipendere dalle impurità di ossigeno all'interfaccia con l'ossido nativo, osservate con la microscopia elettronica a scansione e la microscopia dielettrica non lineare a scansione (SNDM).

Analogamente al SiC, il SiC semiconduttore può presentare caratteristiche di tipo p mediante drogaggio con alluminio, boro, gallio o azoto, mentre il drogaggio con azoto o fosforo determina caratteristiche di tipo n. L'aumento del drogaggio aumenta la conducibilità elettrica, ma deve tener conto dell'aumento dell'area superficiale quando si fanno previsioni sulla conducibilità complessiva dei materiali.

La resistenza di un confine di grano è determinata dalla sua struttura atomica, poiché le fluttuazioni del potenziale atomico periodico dei cristalli adiacenti causano la dispersione degli elettroni lungo il confine e la diminuzione della resistività. Poiché gli atomi tendono a raggrupparsi più densamente ai confini dei grani, a causa della spaziatura più stretta, la loro resistenza tende a essere maggiore di quella interna; questa vicinanza contribuisce alla formazione di molecole di ossido che riducono ulteriormente la conduttività; ma questo effetto può essere minimizzato progettandoli in modo che siano il più possibile lisci e densi.

Conduttività a intervalli di grani

Il carburo di silicio (SiC) è stato ampiamente utilizzato nei dispositivi elettronici grazie alla sua maggiore conduttività, mobilità degli elettroni e ridotta perdita di potenza alle alte temperature. Grazie a queste proprietà, è possibile costruire dispositivi come i diodi Schottky e i transistor che amplificano, commutano o convertono i segnali elettrici nei circuiti elettronici più facilmente che con altri materiali.

Il SiC può subire una significativa degradazione della conduttività a causa della resistenza ai confini dei grani, causata da variazioni del potenziale atomico periodico rispetto a quello del reticolo del SiC in massa. Poiché gli elettroni attraversano più confini all'interno di questa regione, le variazioni di potenziale possono indurre una dispersione di elettroni che aumenta significativamente la resistenza rispetto a quella riscontrata nel materiale in massa.

Per comprendere questo fenomeno, i ricercatori hanno studiato gli effetti del carbonio sulla conduttività dei policristalli e dei bicristalli di SiC. Nell'ambito del loro esperimento, hanno studiato un bicristallo lucidato che conteneva il 5% in peso di additivo di carbonio, utilizzando la microscopia a scansione-nanoindentazione-diffrazione per analizzare le misure di energia superficiale sia di questo campione che di un cristallo singolo di tipo p di SiC. Hanno anche eseguito una mappatura dei grani con risoluzione EBSD, immagini topografiche del tipo di vettore e immagini topografiche del tipo di vettore/concentrazione su ciascuno di essi per maggiore chiarezza.

Topograficamente, la superficie di un bicristallo appariva piatta; tuttavia, le immagini del tipo e della concentrazione di portatori hanno rivelato un'area scura vicino al confine del grano, causata da strati di deplezione di portatori dovuti alla sostituzione di Sc nei siti di Si del reticolo della composizione additiva SiC durante la sinterizzazione.

L'analisi EBSD ha confermato l'esistenza di uno strato di impoverimento e ha mostrato che la sua composizione comprendeva particelle di SiAlON e b-Si3N4 nei suoi confini di grano (GB). Inoltre, i valori di s rispecchiano quelli trovati per il SiC in massa. Inoltre, i bassi valori di s indicano che la maggior parte della conducibilità deriva dalla diffusione di foni piuttosto che di elettroni liberi; ciò si adatta bene alla dipendenza dalla temperatura della conducibilità termica sia per i corpi incontaminati che per quelli in C-SiC.