Siliziumkarbid Transparent

Siliciumcarbid, besser bekannt als “Karborund”, kommt in der Natur als das seltene Mineral Moissanit vor, wird aber seit 1893 in Massenproduktion hergestellt. Siliciumcarbid ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke und wird in der Industrie in zahlreichen Bereichen eingesetzt, u. a. als Schleifmittel und als Grundmaterial für Keramikplatten in kugelsicheren Westen.

Reines SiC ist farblos; die industrielle Produktion enthält jedoch in der Regel Verunreinigungen, die den Farbton in gelbe bis schwarze Nuancen verändern. Es gibt zwei Kristallstrukturen von SiC, die für die Produktion zur Verfügung stehen: hexagonales a-SiC und kubisches b-SiC.

Durchsichtigkeit

Siliziumkarbid, auch als Korund oder Karborund bezeichnet, ist eine extrem harte und dauerhafte chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Während es in der Natur als Moissanitvorkommen vorkommt, ermöglicht die Massenproduktion seine massenhafte Verwendung als Pulver oder Kristall zur Verwendung als Schleifmittel oder als keramische Platten, die in kugelsicheren Westen als kugelsichere Schutzplatten verwendet werden; außerdem ist es häufig Bestandteil von Glas-Keramik-Mischungen, die für moderne Lapidartechniken verwendet werden.

Aufgrund seiner Transparenz und geringen Wärmeausdehnung ist Glas ein ideales Substrat für das Wachstum von Graphen. Es gibt zwar verschiedene Methoden zur Herstellung dieses hochwertigen Graphenmaterials, aber die einschlussgesteuerte Sublimation (CCS) ist nach wie vor die erste Wahl.

Rekombinationen in diffusen Emitterbereichen und an den Übergängen zwischen Metallelektroden und Siliziumabsorbern beeinträchtigen in der Regel die Effizienz der meisten kristallinen Siliziumsolarzellen und schränken ihre Leistung ein. Passivierende Kontakte erhöhen den Wirkungsgrad, indem sie diese Effekte abschwächen, aber die gleichzeitige Optimierung von Leitfähigkeit, Defektpassivierung und optischer Transparenz bleibt eine Herausforderung. Mit einer doppelschichtigen Passivierungsstruktur aus mc-SiC:Hn können Kompromisse zwischen transparenten Frontkontakten für atomare Chips und hoher Leistung überwunden werden, was zu transparenten Frontkontakten mit hervorragenden Ergebnissen führt. Die hergestellten Proben weisen Reflexionsspektren auf, die eng mit den Simulationsergebnissen von TCAD und OPAL2 übereinstimmen. Dies zeigt, dass mit dieser Technik vielversprechende SiC-Zellen mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden können.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid ist ein industrieller keramischer Werkstoff, der für seine Festigkeit und Widerstandsfähigkeit bekannt ist. Mit einer ausgezeichneten Bruchzähigkeit von 6,8 MPa m0,5 und einem Elastizitätsmodul von 440 GPa zeigt es seine Steifigkeit und Belastungsbeständigkeit. Darüber hinaus ist es mit einer Härte von 32 GPa eines der härtesten bekannten Materialien und eignet sich für Anwendungen, die robuste Materialien in rauen Umgebungen erfordern.

Siliziumkarbid (SiC) ist eine extrem haltbare Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die durch starke kovalente Bindungen miteinander verbunden sind, was es zu einem außergewöhnlich langlebigen Material macht. Die breite Energiebandlücke von SiC - dreimal größer als die von Silizium - macht es für elektronische Anwendungen bei hohen Temperaturen geeignet; darüber hinaus verhindert seine Fähigkeit, Spannungsgradienten oder elektrischen Feldern standzuhalten, die achtmal größer sind als bei Si oder GaAs, dass es zusammenbricht und einen Lawinendurchbruch erleidet.

Siliziumkarbid bietet nicht nur hervorragende mechanische Eigenschaften, sondern ist auch chemisch sehr stabil - ein Umstand, der in vielen Umgebungen, die unter extremen Bedingungen arbeiten, von wesentlicher Bedeutung ist, da er die Bauteile vor Zersetzung schützt. Außerdem kann es aufgrund seiner Langlebigkeit hohen Temperaturen standhalten, ohne dass es zu chemischen Reaktionen kommt, die die Funktionalität oder Sicherheit beeinträchtigen würden.

Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient

Siliziumkarbid ist ein äußerst stabiles keramisches Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wodurch es sich für medizinische Anwendungen eignet, z. B. für die Endoskopie und Ballonkatheter zur Behandlung von Verdauungs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Leider erfüllen die derzeitigen Endoskopiesysteme nur schwer die Anforderungen an Biokompatibilität und Sicherheit.

Um diese Herausforderungen zu meistern, wurde eine neuartige transparente Siliziumkarbidschicht entwickelt. Diese Filme wurden durch Pulslaserablation auf Si(100)-Substraten hergestellt und anschließend getempert und geätzt, um transparente kristalline SiC-Filme zu erzeugen, deren Morphologie mit Hilfe von Röntgenbeugung und Phasenanalyseverfahren charakterisiert werden konnte.

Im Gegensatz zu herkömmlichen RTP-Waferträgern, die entweder aus CVD-Siliciumcarbid oder aus mit Siliciumcarbid beschichtetem Graphit bestehen, weist dieser RTP-Verbundwaferträger eine poröse, mit reinem Silicium gefüllte Graphit-SiC-Matrix auf. Durch diese einzigartige Mikrostruktur entsteht ein hochfester, temperaturwechselbeständiger und hochreiner silikonisierter Siliziumkarbidverbundstoff (3C-SiC). Darüber hinaus weist dieser Verbundwerkstoff ein niedriges Dehnungs-Luft-Verhältnis auf, das für eine hohe Temperaturstabilität erforderlich ist.

Hohe Härte

Siliciumcarbid steht mit einer Mohshärte von 13 an dritter Stelle der harten Materialien auf der Mohs-Skala, nach Diamant und Borkarbid. Aufgrund seiner Härte bietet Siliciumcarbid eine hervorragende Verschleißfestigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung, ohne sich zu verformen oder zu brechen; außerdem ist es sehr stabil bei Hitze oder Hochspannungsströmen.

SiC-Substrate bieten eine ideale Plattform für die Herstellung von elektronischen Bauteilen, die in rauen Betriebsumgebungen eingesetzt werden, und eignen sich daher für die Halbleiterherstellung und die Entwicklung hochwertiger Automobilkomponenten. Aufgrund ihrer Stabilität eignen sie sich auch für Anwendungen in der Halbleiterproduktion sowie für Hochtemperaturanwendungen in der Automobilindustrie, z. B. für Hochleistungskomponenten. Dank seiner chemischen Beständigkeit ist Siliziumkarbid auch bei extremen Temperaturen haltbar, ohne sich im Laufe der Zeit zu zersetzen, und eignet sich daher für verschiedene Anwendungen wie die Halbleiterherstellung und die Entwicklung von Automobilkomponenten.

Die hohe Härte von Siliziumkarbid macht es zu einem geeigneten Material für das Schleifen und Honen von Zylinderlaufbuchsen sowie für Materialien mit geringer Zugfestigkeit wie Glas und Keramik. Darüber hinaus machen seine Steifigkeit, sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und seine hohe Transparenz es zu einem begehrten Spiegelmaterial für astronomische Teleskope, denn sein Reflexionsindex von etwa 1,8 ist transparenter als der von Glas oder den meisten Metallen.

Hohe Festigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist eines der härtesten keramischen Materialien. Es ist extrem widerstandsfähig gegen Korrosion, Abrieb und Erosion und zeichnet sich durch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmeausdehnung aus, was es zu einem hervorragenden Baumaterial macht. Darüber hinaus wird SiC aufgrund seiner Neutronenabsorptionsfähigkeit und Strahlungsbeständigkeit auch gerne in Kernreaktoren als Pellets verwendet.

Es gibt verschiedene polymorphe Formen von SiC, wobei alpha-SiC eine der am häufigsten verwendeten ist. Aufgrund seiner hexagonalen Wurtzit-Kristallstruktur und seiner außergewöhnlichen Stabilität in Hochtemperaturumgebungen wird alpha-SiC häufig in Anwendungen eingesetzt, die Stabilität erfordern, wie z. B. in der Leistungselektronik, der photovoltaischen Energieerzeugung und in 5G-Kommunikationsgeräten.

Siliziumkarbid hat den Vorteil, dass es sowohl abriebfest als auch korrosionsbeständig ist, was es zu einem attraktiven Material für den 3D-Druck, die Ballistik, die chemische Produktion, Rohrsysteme für den Transport von Flüssigkeiten und anspruchsvolle Bedingungen in der Papierherstellung als Düsen in Mühlen, Expandern und Extrudern macht. Darüber hinaus verfügt Siliziumkarbid über eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit - sogar bis zu 1.400 Grad Celsius! Zusätzlich zu seinen korrosions- und abriebfesten Eigenschaften.