Vad är kiselkarbid?

Kiselkarbid är ett av de hårdaste material som finns och har en Mohs-hårdhet som är högre än diamant. Dess mekaniska egenskaper inkluderar dessutom utmärkta värden för draghållfasthet och Youngs modul.

Grafens elektriska egenskaper omfattar hög elektronrörlighet vid mättnad och spänningsgenombrottsmotstånd, vilket gör den lämplig för högpresterande elektronik som t.ex. växelriktare.

Kemisk sammansättning

Kiselkarbid (SiC) är en legering som består av kol och kisel med kovalenta bindningsstrukturer. SiC kan framställas genom att en blandning av kol och kiseldioxid reagerar i elektriska motståndsugnar vid temperaturer mellan 1700-2500 grader; detta ger ett fast cylindriskt göt som består av grafit, alfa-SiC, beta-SiC metallurgiskt material samt eventuellt oreagerat material på dess ytterytor.

SiC är en gul till grön till blåsvart kristallin form med en densitet på 3,21 g cm-3 och sublimerar vid 2700 degC; det kan också lösas i flytande alkalier och järnlösliga lösningar.

SiC är ett polykristallint material med varierande inre mikrostruktur beroende på dess polykristallina typ och bildningsmetod, med vitt skilda egenskaper. En viktig skillnad mellan a-SiC- och b-SiC-polymorferna ligger i deras respektive kristallsystem: hexagonal wurtzit för a-SiC respektive rhombohedral volframkarbid (WC) - även om den senare har en lägre smältpunkt på 1875 degC än sin motsvarighet, vilket gör den till det mer populära valet bland dessa polymorfer.

Fysikaliska egenskaper

Kristallin SiC består av kisel- och kolatomer som är ordnade i en tredimensionell gitterstruktur som bildar kovalenta bindningar mellan skikten, vilket ger detta material höga smältpunkter och motståndskraft mot inre oxidation samtidigt som det bidrar till dess hårdhet.

De elektriska egenskaperna hos kristallin SiC beror på dess polytyp (kubisk, hexagonal eller rombisk). Varje polytyp uppvisar distinkta elektroniska halvledaregenskaper på grund av de olika arrangemangen av Si- och kolatomer inom dess kristallgitter.

I en typisk produktionsprocess sublimeras ren SiC vid hög temperatur i en argongasatmosfär och kristalliseras sedan på seed-kristaller med Lelys process, vilket skapar enkristaller som bearbetas vidare för kraftelektroniktillämpningar med hjälp av väletablerade processteg.

Mekaniska egenskaper

Kiselkarbidens hårda, slitstarka egenskaper gör den till ett utmärkt slipmaterial i modern lapidarisk industri. Dessutom har kiselkarbid också använts som eldfast fodermaterial i industriugnar samt för att konstruera slipskivor och skärverktyg.

SiC har mekaniska egenskaper som varierar avsevärt beroende på formnings- och bränningsprocesser, kornstorlek, renhet, stökiometri och porstruktur i den förtätade kroppen. Temperaturen har ett enormt inflytande på dessa egenskaper som till och med kan skilja sig mycket mellan olika källor.

Young's modul för tät SiC är ca 400-450 GNm-2 vid 20degC och 360-400 GNm-2 vid 1500degC; dess skjuvhållfasthet står för hälften av detta värde; böjhållfastheten kan vara svår att mäta för sådana material; värden som rapporteras i litteraturen varierar mellan 500-660 MNm-2 vid 20degC och ca 5000-6000 MNm-2 vid 1500degC; krypmotståndet är utmärkt, medan dragspänningsnivåerna måste hållas inom rimliga nivåer för att förhindra att sprickor och brott uppstår.

Elektriska egenskaper

Kiselkarbid har förmågan att motstå höga temperaturer och kemiska reaktioner, vilket ger skydd mot nedbrytning i tuffa miljöer. Tyvärr uppnår detta spröda och hårda material en draghållfasthet vid rumstemperatur på cirka 4 gPa (Engineering Property Data 1979).

SiC är känt för sin överlägsna elektriska ledningsförmåga och låga resistans, vilket gör det lämpligt för tillämpningar inom kraft- och RF-elektronik, med låg resistivitet och hög mättnadselektronrörlighet som kan utnyttjas på ett mycket effektivt sätt. SiC:s hållbarhet sträcker sig dessutom till strålningsresistens och motståndskraft mot termisk chock samt är långvarig.

Tillverkarna använder olika processer för att producera kubiskt SiC. En metod är reaktionsbunden SiC, som framställs genom att pulveriserat kol blandas med mjukgörare och bränns; vid efterföljande infusering kan sedan gasformigt kisel eller smält kol tillsättas för att bilda mer SiC. En annan metod är kemisk förångningsdeposition, där gaser kommer in i en vakuumkammare innan de deponeras på substrat för tillväxt; denna teknik har visat sig vara populär inom halvledarindustrin.