Kiselkarbid och dess användningsområden inom elektronik och halvledare

Kiselkarbid (SiC) är ett av de hårdaste kända ämnena. Sedan slutet av 1800-talet har SiC använts som slipmedel och som en integrerad komponent i eldfasta material som används som ugnsinfodring.

Polymorf är syntetiskt tillverkad och finns i gula till gröna till blåsvarta skimrande kristaller, polymorf är en polymorf med flera distinkta kristallstrukturer som kallas polytyper.

Slipande material

Kiselkarbidens hårdhet gör den till ett idealiskt slipmaterial för många industriella användningsområden, från slipmedel för limning och beläggning, slipning, sågning av kvarts och tryckblästring (våt eller torr) till keramik och eldfasta material; elektronik/halvledare använder dess värmeledningsförmåga, vilket gör kiselkarbid till ett attraktivt skärverktyg vid tillverkning av kraftutrustning och LED.

Kiselkarbid i sin svarta form beskrivs ofta som ett sprött slipmaterial med medelhög densitet som ofta tillverkas till förglasade och bundna spetsar, hjul och korn för användning vid slipning av hårda eller spröda material som hårdmetall, gjutjärn och glas. Dessutom kan detta material också användas inom metallurgi för slipning av icke-järnmetaller med låg draghållfasthet, t.ex. aluminium och titan.

De moderna metoderna för att framställa kiselkarbid som används av slipmedelsindustrin liknar den som Acheson utvecklade 1904. Fin kiselsand och kol, oftast mald koks, kombineras i en tegelugn av elektrisk motståndstyp för att bilda en rad kolledare som sedan låter elektrisk ström passera igenom och orsaka reaktion mellan kisel och kol, vilket ger kiselkarbid som biprodukt. Hans upptäckt duplicerades så småningom av Henri Moissan som producerade kiselkarbid med hjälp av kvarts-kolblandning.

Bränsle

Kiselkarbid är ett av de hårdaste syntetiska materialen och ett alltmer populärt slipmedel, särskilt på grund av sin hårdhet, vid tillverkning av slipskivor och skärverktyg. Mohs hårdhetsgrad 9 indikerar brytningsförhållanden som liknar diamanters. Kiselkarbid kan också användas som eldfasta infodringar, ugnskomponenter och halvledarsubstrat.

Kiselkarbidens kemiska struktur är tätt packad, med kol- och kiselatomer kovalent bundna till varandra i kristallformiga tetraeder som består av fyra kisel- och fyra kolatomer som är förbundna i hörnen och staplade i polära strukturer.

Nya upptäckter kan leda till nya energikällor med hjälp av kiselkarbid. Under ledning av Jianwu Sun har hans team utvecklat 3C-SiC med en porös struktur som är utformad för att fånga upp det mesta av det ultravioletta och synliga ljus som faller på den - vilket potentiellt kan ge tillräckligt med energi för att producera vätgas från vatten enbart med hjälp av solljus.

Materialet skulle kunna revolutionera kärnbränslekapslingsmaterialen för programmet Accident-Tolerant Fuel, som kräver högteknologiska kompositer som kan motstå extrema temperaturer. Det skulle vara första gången detta material används och utgöra ett viktigt steg mot att skapa säkrare och mer kostnadseffektiva kärnkraftssystem.

Halvledarmaterial

Halvledare av kiselkarbid har större bandgap än vanligt kisel, vilket gör dem perfekta för kraftelektronik som ombordladdare och traktionskontrollomvandlare.

Eftersom det också kan dopas med kväve eller fosfor för att producera en halvledare av n-typ, eller med beryllium, bor, aluminium eller gallium för att producera en halvledare av p-typ, bestämmer koncentrationen och den rumsliga fördelningen av dopämnen den elektroniska rörligheten och genomslagsspänningen - det är viktigt att koncentrationen och placeringen av dopämnen samt verifiering av att oönskade föroreningar inte förekommer hanteras noggrant för att skapa högfunktionella halvledare.

Kiselkarbid kan framställas genom flera avancerade processer. Reaktionsbunden kiselkarbidproduktion, som bildas genom att pulveriserad SiC reagerar med flyktiga föreningar av kol och väte vid förhöjda temperaturer, är den mest använda. Enkristalltillväxt via kemisk förångningsdeposition är också en annan metod.

Kiselkarbid har funnits i mer än 100 år, men på senare tid har dess popularitet ökat kraftigt tack vare dess många fördelar jämfört med mer konventionella halvledarmaterial. Från effektivitetsförbättringar vid kraftomvandling och minskade kylkostnader till ökad räckvidd - dessa fördelar hjälper tillverkare av elfordon att förlänga körsträckan med tillförlitliga kraftaggregat.

Tillämpningar inom fordonsindustrin

Kiselkarbid har möjliggjort den snabba elektrifieringen av bilar genom sin betydligt mer effektiva drift jämfört med vanligt kisel i stora kraftomvandlingssystem som de som används för växelriktare i elfordon (EV). Denna enastående prestanda kan tillskrivas överlägsna materialegenskaper som minskade switch- och ledningsförluster, säkrare drift vid höga temperaturer och högre spänningskapacitet.

Kiselkarbid, ett av de hårdaste ämnen som finns, har länge använts för olika industriella ändamål sedan det först dök upp på scenen 1891. Även om det ursprungligen bara hittades i små mängder i moissanitmeteoriter, började den syntetiska produktionen senare samma år av Edward Goodrich Acheson när han försökte producera diamanter.

Kiselkarbid används för närvarande för tillverkning av värmebeständiga delar som lager, slitringar, deglar och brännarmunstycken. Kiselkarbid har dessutom en viktig funktion som en del av skottsäkra västar och för att producera högeffektiva lysdioder (LED) som används i elektronikapplikationer.

Kiselkarbid är också det huvudsakliga halvledarmaterial som används i elektroniska högeffektsapparater som används i elfordon (EVs). Kiselkarbid gör att de kan arbeta mer effektivt och snabbt; vissa elbilar kan faktiskt färdas upp till två gånger längre på en laddning tack vare dess exceptionella elektriska egenskaper; dess ökade effektivitet minskar energiförlusterna och möjliggör mer kompakta kylsystem som sparar utrymme och vikt vilket sparar utrymme och vikt för OEM-tillverkare som i slutändan designar snyggare och lättare fordon.