Čo je karbid kremíka?

Karbid kremíka je jeden z najtvrdších známych materiálov, ktorý sa môže pochváliť tvrdosťou vyššou ako diamant. Okrem toho jeho mechanické vlastnosti zahŕňajú vynikajúce hodnoty pevnosti v ťahu a Youngovho modulu.

Medzi elektrické vlastnosti grafénu patrí vysoká pohyblivosť nasýtených elektrónov a prierazný odpor, vďaka čomu je vhodný pre vysoko výkonnú elektroniku, ako sú napríklad meniče.

Chemické zloženie

Karbid kremíka (SiC) je zliatina zložená z uhlíka a kremíka s kovalentnou väzbou. SiC sa môže vyrábať reakciou zmesi uhlíka a oxidu kremičitého v elektrických odporových peciach pri teplotách v rozmedzí 1700 - 2500 stupňov C; vzniká tak pevný valcový ingot zložený z grafitu, alfa SiC, beta SiC materiálu metalurgickej kvality, ako aj z nezreagovaného materiálu na jeho vonkajších povrchoch.

SiC je žltá až zelená až modročierna kryštalická forma s hustotou 3,21 g cm-3 a sublimuje pri 2700 stupňoch C; môže sa rozpúšťať aj v kvapalných zásadách a roztokoch rozpustných v železe.

SiC je polykryštalický materiál s premenlivou vnútornou mikroštruktúrou v závislosti od polykryštalického typu a spôsobu vzniku, so širokou škálou vlastností. Jeden z kľúčových rozdielov medzi polymorfmi a-SiC a b-SiC spočíva v ich príslušných kryštálových sústavách: hexagonálny wurtzit pre a-SiC, resp. romboedrický karbid volfrámu (WC) - hoci druhý menovaný má nižšiu teplotu topenia 1875 stupňov C ako jeho náprotivok, čo z neho robí populárnejšiu voľbu medzi týmito polymorfmi.

Fyzikálne vlastnosti

Kryštalický SiC pozostáva z atómov kremíka a uhlíka usporiadaných v trojrozmernej mriežkovej štruktúre, ktorá vytvára kovalentné väzby medzi vrstvami, vďaka čomu má tento materiál vysoké teploty tavenia a odolnosť voči vnútornej oxidácii a zároveň prispieva k jeho tvrdosti.

Elektrické vlastnosti kryštalického SiC závisia od jeho polytypu (kubický, hexagonálny alebo rombický). Každý polytyp vykazuje charakteristické elektronické vlastnosti polovodiča v dôsledku rôzneho usporiadania atómov Si a uhlíka v jeho kryštálovej mriežke.

V typickom výrobnom procese sa čistý SiC sublimuje pri vysokej teplote v atmosfére argónu a potom sa kryštalizuje na zárodočných kryštáloch pomocou procesu spoločnosti Lely, čím sa vytvárajú monokryštály, ktoré sa ďalej spracúvajú pre aplikácie výkonovej elektroniky pomocou osvedčených procesných stupňov.

Mechanické vlastnosti

Tvrdé vlastnosti karbidu kremíka, odolné voči opotrebovaniu, z neho robia vynikajúci brúsny materiál v modernom lapidáriu. Okrem toho sa karbid kremíka využíva aj ako žiaruvzdorný vykladací materiál v priemyselných peciach, ako aj na výrobu brúsnych kotúčov a rezných nástrojov.

Mechanické vlastnosti SiC sa výrazne líšia v závislosti od procesov jeho tvarovania a vypaľovania, veľkosti zŕn, čistoty, stechiometrie a štruktúry pórov v jeho zhutnenom telese. Teplota má obrovský vplyv na tieto vlastnosti, ktoré sa môžu výrazne líšiť aj medzi jednotlivými zdrojmi.

Youngov modul pre hustý SiC je približne 400 - 450 GNm-2 pri 20 stupňoch C a 360 - 400 GNm-2 pri 1500 stupňoch C; jeho pevnosť v šmyku predstavuje polovicu tejto hodnoty; pevnosť v ohybe sa môže pri takýchto materiáloch ťažko merať; hodnoty uvádzané v literatúre sa pohybujú v rozmedzí 500 - 660 MNm-2 pri 20 stupňoch C a približne 5000 - 6000 MNm-2 pri 1500 stupňoch C; odolnosť proti tečeniu je vynikajúca, zatiaľ čo úrovne napätia v ťahu musia zostať na primeranej úrovni, aby sa zabránilo vzniku trhlín a lomov.

Elektrické vlastnosti

Karbid kremíka má schopnosť odolávať vysokým teplotám a chemickým reakciám, čím poskytuje ochranu pred degradáciou v drsných prostrediach. Tento krehký a tvrdý materiál však bohužiaľ dosahuje pevnosť v ťahu pri izbovej teplote približne 4 Pa (Engineering Property Data' 1979).

SiC je známy svojou vynikajúcou elektrickou vodivosťou a nízkym odporom, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie výkonovej a VF elektroniky, s nízkym odporom a vysokou nasýtenou pohyblivosťou elektrónov, ktorú možno veľmi dobre využiť. Okrem toho sa odolnosť SiC rozširuje na odolnosť voči žiareniu a tepelným šokom, ako aj na dlhú životnosť.

Výrobcovia používajú na výrobu kubického SiC rôzne postupy. Jedna z metód zahŕňa reakčne viazaný SiC, ktorý sa vyrába zmiešaním práškového uhlíka s plastifikátorom a vypálením; následným napúšťaním sa do neho môže pridávať plynný kremík alebo roztavený uhlík, aby sa vytvoril ďalší SiC. Iný prístup využíva chemické naparovanie, pri ktorom plyny vstupujú do vákuovej komory pred nanesením na substráty na rast; táto technológia sa osvedčila v polovodičovom priemysle.