Pii-karbidi ja sen käyttö elektroniikassa ja puolijohteissa

Piikarbidi (SiC) on yksi tunnetuista kovimmista aineista. 1800-luvun lopulta lähtien SiC:tä on käytetty hioma-aineena sekä uunien vuorauksissa käytettävien tulenkestävien materiaalien olennaisena osana.

Polymorf on synteettisesti valmistettu aine, jota on saatavana keltaisista, vihreistä ja sinimustaisiin värivaihteleviin kiteisiin. Se on polymorf, jolla on useita erillisiä kiderakenteita, joita kutsutaan polytyypeiksi.

Hiontamateriaalit

Piikarbidin kovuus tekee siitä ihanteellisen hioma-aineen lukuisiin teollisiin käyttötarkoituksiin, kuten hioma-aineiden sidontaan ja pinnoitukseen, hiontaan, kvartsin sahaamiseen sekä painehiontaan (märkä- tai kuivamenetelmällä) sekä keraamisten ja tulenkestävien materiaalien valmistukseen; elektroniikka- ja puolijohdeteollisuudessa hyödynnetään sen lämmönjohtavuutta, mikä tekee piikarbidista houkuttelevan leikkuutyökalun tehoelektroniikan ja LED-valaisimien valmistuksessa.

Mustana esiintyvää piikarbidia kuvataan usein murenevaksi, keskitiheäksi hioma-aineeksi, josta valmistetaan usein lasitettuja ja sidottuja hiomakärkiä, -laikkoja ja -hiomajyviä kovien tai hauraiden materiaalien, kuten kovametallien, valuraudan ja lasin, hiontaan. Lisäksi tätä materiaalia voidaan käyttää metallurgiassa alhaisen vetolujuuden omaavien ei-rautametallien, kuten alumiinin ja titaanin, hiontaan.

Hiomateollisuudessa käytettävät nykyaikaiset piikarbidin valmistusmenetelmät muistuttavat Achesonin vuonna 1904 kehittämää menetelmää. Hienoa piihiekkaa ja hiiltä, useimmiten jauhettua koksia, yhdistetään tiiliseinäisessä sähkövastusuunissa, jossa muodostuu joukko hiilijohtimia, joiden läpi sähkövirta kulkee ja saa aikaan reaktion piin ja hiilen välillä, jolloin sivutuotteena syntyy piikarbidia. Hänen keksintönsä toistettiin myöhemmin Henri Moissanin toimesta, joka valmisti piikarbidia käyttämällä kvartsin ja hiilen seosta.

Polttoaine

Piikarbidi on yksi kovimmista synteettisistä materiaaleista ja yhä suositumpi hioma-aine, erityisesti sen kovuuden ansiosta, hiomalaikkojen ja leikkuutyökalujen valmistuksessa. Mohsin kovuusaste 9 viittaa timanttia vastaaviin murtumisominaisuuksiin. Lisäksi piikarbidia käytetään myös tulenkestävissä vuorauksissa, uunien osissa ja puolijohdealustoissa.

Piikarbidin kemiallinen rakenne on tiheästi pakkautunut: hiili- ja piiatomit ovat kovalenttisesti sitoutuneet toisiinsa tetraedrisissä kiteissä, jotka koostuvat neljästä pii- ja neljästä hiiliatomista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa kulmissa ja pinottuina polaarisiksi rakenteiksi.

Viimeaikaiset löydöt saattavat johtaa uusiin, piikarbidia hyödyntäviin energialähteisiin. Jianwu Sunin johdolla hänen tutkimusryhmänsä kehitti 3C-SiC-materiaalin, jonka huokoinen rakenne on suunniteltu sieppaamaan suurimman osan siihen osuvasta ultravioletti- ja näkyvästä valosta – mikä voisi mahdollistaa riittävän energian tuottamisen vedyn valmistamiseksi vedestä pelkästään auringonvalon avulla.

Materiaali voisi mullistaa ydinpolttoaineen suojakuorimateriaalit ”Accident-Tolerant Fuel” -ohjelmassa, jossa tarvitaan äärimmäisiä lämpötiloja kestäviä huipputeknologisia komposiitteja. Se olisi ensimmäinen kerta, kun tätä materiaalia käytettäisiin tässä yhteydessä, ja merkitsisi tärkeää askelta kohti turvallisempien ja kustannustehokkaampien ydinvoimajärjestelmien kehittämistä.

Puolijohdemateriaalit

Piikarbidipuolijohteilla on suurempi kaistaväli kuin tavallisella piillä, minkä vuoksi ne sopivat erinomaisesti tehoelektroniikkaan, kuten ajoneuvojen latureihin ja luistonestojärjestelmien inverttereihin.

Koska sitä voidaan myös seosttaa typellä tai fosforilla n-tyyppisen puolijohteen valmistamiseksi tai berylliumilla, boorilla, alumiinilla tai galliumilla p-tyyppisen puolijohteen valmistamiseksi, sen seostusaineiden pitoisuus ja avaruudellinen jakautuminen määräävät elektronien liikkuvuuden ja läpilyöntijännitteen – on olennaisen tärkeää, että lisäaineiden pitoisuutta ja sijaintia sekä sen varmistamista, ettei ei-toivottuja epäpuhtauksia esiinny, hallitaan huolellisesti, jotta voidaan valmistaa korkean suorituskyvyn puolijohteita.

Piikarbidia voidaan valmistaa useilla edistyneillä menetelmillä. Yleisimmin käytetty menetelmä on reaktiosidottu piikarbidin valmistus, jossa jauhemaista SiC:tä saatetaan reagoimaan haihtuvien hiili- ja vetyyhdisteiden kanssa korkeissa lämpötiloissa. Toinen menetelmä on yksikiteen kasvatus kemiallisen höyrypinnoituksen avulla.

Piikarbidi on ollut käytössä jo yli 100 vuotta, mutta viime aikoina sen suosio on kasvanut räjähdysmäisesti, koska sillä on lukuisia etuja perinteisempiin puolijohdemateriaaleihin verrattuna. Näitä etuja ovat muun muassa tehonmuunnoksen tehokkuuden parantuminen, jäähdytyskustannusten aleneminen sekä ajomatkan pidentyminen, ja ne auttavat sähköautojen valmistajia pidentämään ajomatkaa luotettavien tehoelektroniikkakomponenttien avulla.

Autoteollisuuden sovellukset

Piikarbidi on mahdollistanut autojen nopean sähköistämisen, sillä se toimii huomattavasti tehokkaammin kuin perinteinen pii suuritehoisissa tehonmuunnosjärjestelmissä, kuten sähköajoneuvojen (EV) inverttereissä. Tämä erinomainen suorituskyky johtuu materiaalin ylivoimaisista ominaisuuksista, kuten pienemmistä kytkentä- ja johtohäviöistä, turvallisemmasta toiminnasta korkeissa lämpötiloissa sekä paremmista jänniteominaisuuksista.

Piikarbidi, joka on yksi tunnetuista kovimmista aineista, on ollut jo pitkään käytössä erilaisissa teollisissa sovelluksissa siitä lähtien, kun se tuli ensimmäisen kerran tunnetuksi vuonna 1891. Alun perin sitä esiintyi vain pieniä määriä moissanite-meteoriiteissa, mutta myöhemmin samana vuonna Edward Goodrich Acheson aloitti sen synteettisen valmistuksen yrittäessään tuottaa timantteja.

Piikarbidia käytetään nykyään lämmönkestävien osien, kuten laakereiden, kulutusrenkaiden, upokkaiden ja polttimien suuttimien, valmistukseen. Lisäksi piikarbidilla on keskeinen rooli luodinkestävien liivien valmistuksessa sekä elektroniikkasovelluksissa käytettävien erittäin tehokkaiden valodiodien (LED) tuotannossa.

Piikarbidi on myös tärkein puolijohdemateriaali, jota käytetään sähköajoneuvojen (EV) suuritehoisissa elektroniikkalaitteissa. Piikarbidi mahdollistaa laitteiden tehokkaamman ja nopeamman toiminnan; joidenkin sähköajoneuvojen ajomatka voi jopa kaksinkertaistua yhdellä latauksella sen poikkeuksellisten sähköisten ominaisuuksien ansiosta; sen parantunut hyötysuhde vähentää energiahäviöitä ja mahdollistaa kompaktimmat jäähdytysjärjestelmät, jotka säästävät tilaa ja painoa, mikä puolestaan antaa laitevalmistajille mahdollisuuden suunnitella entistä virtaviivaisempia ja kevyempiä ajoneuvoja.