Kiselkarbid driver på en revolution inom kraftelektroniken. Tack vare sina unika egenskaper kan halvledarkomponenter som är konstruerade med kiselkarbid klara temperaturer, spänningar och frekvenser som vida överträffar dem som uppstår när man arbetar med kisel.
Kiselkarid (SiC) förekommer naturligt som moissanitjuveler och i små mängder i vissa typer av meteoriter, korundfyndigheter och kimberlitstenar, men för elektroniska tillämpningar måste dess källa vara syntetiskt tillverkad.
Fysikaliska egenskaper
Kisel är en halvmetall och metalloid med en attraktiv metallisk glans, vilket ger den både hög reflektionsförmåga och bräcklighet; när den träffas av en hammare splittras den. Även om det i allmänhet är tetravalent kan det bilda penta- och hexakoordinerade föreningar - t.ex. oxisyror.
Kristallin kiseldioxid förekommer som ett grått, svart eller grönt pulver utan lukt och har en densitet på 3,21 g/cm3, vilket gör den tätare än de flesta keramiska material men mindre tät än vissa metaller. Dessutom är kiseldioxid motståndskraftigt mot kemikalier som normalt skulle korrodera andra material, vilket gör det ogenomträngligt.
Kiselkarbid kristalliserar i två polymorfer: alfa-kiselkarbid (a-SiC) och beta-kiselkarbid (b-SiC). Båda formerna används industriellt som slipmedel för stenhuggeri på grund av sin hållbarhet och hårdhet, men b-SiC kostar normalt mer på grund av lägre produktionsutbyte.
SiC:s kemiska robusthet är en ovärderlig egenskap för biomedicinska tillämpningar i in vivo-miljöer, där enheterna måste stå emot frekventa biologiska utmaningar från proteiner, salter och aggressiva oxidationsmedel som finns i människokroppen - varav många kan leda till att främmande kroppar stöts bort av immunförsvaret. SiC klarar dessa utmaningar och möjliggör avancerad medicinsk teknik som glukossensorer, neurala gränssnitt och intelligenta ben- och organimplantat som gynnar patienter över hela världen.
Elektriska egenskaper
Rent kisel innehåller atomer med fullt valensskal som inte reagerar starkt med andra grundämnen; dess reaktion sker främst med gasformigt fluor och fluorvätesyramolekyler. Den låga reaktiviteten förklarar varför kisel har visat sig vara så framgångsrikt i elektronikapplikationer.
Kisel c är inte bara mycket stabilt utan har också flera önskvärda elektriska egenskaper. Till exempel gör dess motståndskraft mot nedbrytning i elektriska fält och energibandgapet - som skiljer dess ledningselektroner och magnetiska elektroner åt - att det lämpar sig särskilt väl för högeffektsapplikationer.
För att ytterligare förbättra dess egenskaper kan grundämnet dopas med föroreningar (elektroner och hål). Detta resulterar i en ökning av ledningsförmågan - så kallad dopning.
Kisel c, som är en isolator vid rumstemperatur, blir en elektrisk ledare när det värms upp på grund av dess rikliga termiska vibrationer, så kallade fononer, som transporterar värme genom dess gitterstruktur. Elektriska fält stimulerar dessa vibrationer, vilket möjliggör energiöverföring utan större effektivitetsförlust.
Ramanspektroskopi kan ge värdefulla insikter i den elektriska ledningsförmågan hos formade kristallartiklar eller tunna filmer med hjälp av Ramanspektroskopi. Spektrumet som genereras från denna teknik avslöjar information som bärartyp/densitet och dopningsnivåer för material som beaktas; i synnerhet kan funktioner vid cirka 1500 cm1 indikera kolrika regioner och väsentliga sp2-sp3-bindningar [80], liksom kolrika regioner som innehåller sp2-sp3-bindningar som är väsentliga för konduktivitet [79, 80]. Dessutom kan liknande fenomen också observeras med hjälp av D'- och T Raman-band [84, 85].
Mekaniska egenskaper
Kiselkarbid, en legering som består av kisel bundet till kolatomer (atomnummer 16), är ett extremt hållbart keramiskt material med utmärkt värmeledningsförmåga, låg expansionshastighet och Youngs modul på över 400 GPa, vilket gör det lämpligt för kvarnar, expandrar, extruders och munstycken. Dessutom tål kiselkarbid lätt korrosion och slitage samtidigt som det motstår friktionsslitage mycket effektivt.
Kiselkarbid uppvisar överlägsen draghållfasthet, vilket gör den lämplig för applikationer med tung utrustning. Dessutom är kiselkarbid kemiskt resistent och klarar höga temperaturer.
Rent kisel innehåller få ledningselektroner, vilket gör det till ett inert material och därför isolatorliknande. Men när det dopas med föroreningar av n-typ i grupp V A, t.ex. kväve- eller fosfordopningsmedel, blir det ett halvledarmaterial av n-typ, vilket ger upphov till anordningar som Schottkybarriärdioder och MOSFETs med extremt höga genomslagsspänningar, låga påslagsmotstånd och snabba drifttider.
Kiselkarbid kommer snart att spela en central roll i avancerade biomedicinska produkter avsedda för långvarig användning som implantat i människor. Nanoporös kiselkarbid (np-SiC) har redan visat sitt värde som implantatmaterial genom att stödja benbildning när den mineraliseras med hydroxiapatit (HA), samtidigt som den visar utmärkt kompatibilitet med biologisk vävnad utan att framkalla inflammationsreaktioner från immunsystemet, vilket möjliggör in-vivo glukossensorer, neurala gränssnitt och smarta ben-/organimplantat som kommer att rädda liv i realtid.
Kemiska egenskaper
Silikoner är kända för sin kemiska inertitet, vilket gör dem lämpliga för tuffa kemiska miljöer och höga temperaturer. Dessutom fungerar silikonkomponenter med dessa egenskaper ofta som förväntat i vätskemiljöer där långsiktig stabilitet och signalklarhet är nyckelfaktorer.
SiC är ett färglöst material i sin renaste form; industriprodukter med järnföroreningar ger bruna till svarta nyanser på grund av färgskiftande pigmentering. Mohs hårdhet 9 placerar SiC nära diamantens hårdhetsnivå. Dessutom har detta material både hög smältpunkt (2.730 degC) och låg kokpunkt (8.100 degC) för optimal drift.
Rent kisel är en elektrisk isolator, men kan göras elektriskt ledande genom tillsats av dopämnen som aluminium, bor, gallium, kväve och fosfor - vilket ger halvledare av P-typ och N-typ för halvledarutrustning.
Kiselkarbid finns i olika strukturer, så kallade polytyper, beroende på hur dess kol- och kiselatomer staplas tillsammans. En diamantstruktur (känd som /3-SiC) är bland dessa sorter medan andra som hexagonala och rombiska strukturer också kan förekomma. Alla polytyper motstår korrosion av smälta metaller, organiska syror, oorganiska syror och salter vid olika koncentrationer och temperaturer - utom fluorvätesyra och sura fluorider som potentiellt kan angripa dem.
Swedish 
English 
German 
French