Wat is siliciumcarbide?

Siliciumcarbide is een van de hardste materialen met een Mohs-hardheid die groter is dan die van diamant. Bovendien omvatten de mechanische eigenschappen uitstekende waarden voor treksterkte en elasticiteitsmodulus.

Elektrische eigenschappen van grafeen zijn onder andere een hoge verzadigingselektronenmobiliteit en spanningsdoorslagweerstand, waardoor het geschikt is voor hoogwaardige elektronica zoals omvormers.

Chemische samenstelling

Siliciumcarbide (SiC) is een legering van koolstof en silicium met covalente bindingsstructuren. SiC kan worden geproduceerd door een mengsel van koolstof en silica te laten reageren in elektrische weerstandsovens bij temperaturen tussen 1700-2500 graden Celsius; dit levert een vaste cilindrische staaf op die bestaat uit grafiet, alfa-SiC, metallurgisch materiaal van bèta-SiC en al het niet-gereageerde materiaal op de buitenoppervlakken.

SiC is een geelgroene tot blauwzwarte kristallijne vorm met een dichtheid van 3,21 g cm-3 en sublimeert bij 2700 degC; het kan ook oplossen in vloeibare alkaliën en in ijzeroplosbare oplossingen.

SiC is een polykristallijn materiaal met een variabele interne microstructuur, afhankelijk van het polykristallijne type en de wijze van vorming, met zeer uiteenlopende eigenschappen. Een belangrijk verschil tussen de a-SiC en b-SiC polymorfen ligt in hun respectievelijke kristalsystemen: hexagonaal wurtziet voor a-SiC respectievelijk rhombohedraal wolfraamcarbide (WC) - hoewel de laatste met 1875 degC een lager smeltpunt heeft dan zijn tegenhanger, waardoor het de populairdere keuze is onder deze polymorfen.

Fysische eigenschappen

Kristallijn SiC bestaat uit silicium- en koolstofatomen in een driedimensionale roosterstructuur die covalente bindingen vormt tussen de lagen, waardoor dit materiaal een hoog smeltpunt en weerstand tegen interne oxidatie heeft en tegelijkertijd bijdraagt aan de hardheid.

De elektrische eigenschappen van kristallijn SiC hangen af van het polytype (kubisch, zeshoekig of ruitvormig). Elk polytype heeft verschillende elektronische eigenschappen als halfgeleider door de verschillende rangschikkingen van Si en koolstofatomen in het kristalrooster.

In een typisch productieproces wordt zuiver SiC gesublimeerd bij hoge temperatuur in een argongasatmosfeer en vervolgens gekristalliseerd op zaadkristallen met behulp van Lely's proces, waardoor enkelvoudige kristallen ontstaan die verder worden verwerkt voor toepassingen in de vermogenselektronica met behulp van beproefde processtappen.

Mechanische eigenschappen

De harde, slijtvaste eigenschappen van siliciumcarbide maken het een uitstekend slijpmateriaal in de moderne metaalbewerking. Bovendien wordt siliciumcarbide ook gebruikt als vuurvast bekledingsmateriaal in industriële ovens en voor het maken van slijpschijven en snijgereedschappen.

SiC heeft mechanische eigenschappen die aanzienlijk variëren op basis van het vormings- en bakproces, de korrelgrootte, zuiverheid, stoichiometrie en poriënstructuur in het verdichte lichaam. De temperatuur heeft een enorme invloed op deze eigenschappen, die zelfs per bron sterk kunnen verschillen.

Young's modulus voor dicht SiC is ongeveer 400-450 GNm-2 bij 20gC en 360-400 GNm-2 bij 1500gC; de afschuifsterkte is goed voor de helft van deze waarde; buigsterkte kan moeilijk te meten zijn voor dergelijke materialen; in de literatuur gerapporteerde waarden liggen tussen 500-660 MNm-2 bij 20gC en ongeveer 5000-6000 MNm-2 bij 1500gC; kruipweerstand is uitstekend, terwijl spanningsniveaus binnen redelijke niveaus moeten blijven om te voorkomen dat scheurvorming en breuk ontstaan.

Elektrische eigenschappen

Siliciumcarbide is bestand tegen hoge temperaturen en chemische reacties en biedt bescherming tegen degradatie in ruwe omgevingen. Helaas bereikt dit brosse en harde materiaal bij kamertemperatuur treksterkten van ongeveer 4GPa (Engineering Property Data' 1979).

SiC staat bekend om zijn superieure elektrische geleidbaarheid en lage weerstand; dit maakt het geschikt voor vermogens- en RF-elektronicatoepassingen, met een lage weerstand en hoge verzadigingselektronenmobiliteit die zeer goed benut kunnen worden. Bovendien is SiC duurzaam en bestand tegen straling en thermische schokken.

Fabrikanten gebruiken verschillende processen om kubisch SiC te produceren. Eén methode is reactiegebonden SiC, geproduceerd door koolstof in poedervorm te mengen met weekmaker en het te bakken; vervolgens kan er gasvormig silicium of gesmolten koolstof aan worden toegevoegd om meer SiC te vormen. Een andere benadering maakt gebruik van chemische dampdepositie, waarbij gassen een vacuümkamer binnengaan voordat ze op substraten worden gedeponeerd om te groeien; deze technologie is populair gebleken in de halfgeleiderindustrie.