Siliziumkarbid – Wikipedia

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extrem harter Halbleiter mit Silizium und Kohlenstoff

“Carborundum” leitet hier weiter. Es ist nicht mit Korund zu verwechseln.
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Siliziumkarbid ((SiC), auch bekannt als Karborund ist ein Halbleiter, der Silizium und Kohlenstoff enthält. Es kommt in der Natur als äußerst seltenes Mineral Moissanit vor. Synthetisches SiC-Pulver wird seit 1893 in Massenproduktion zur Verwendung als Schleifmittel hergestellt. Körner aus Siliziumkarbid können durch Sintern miteinander verbunden werden, um sehr harte Keramiken zu bilden, die häufig in Anwendungen verwendet werden, die eine hohe Lebensdauer erfordern, wie z. B. Fahrzeugbremsen, Fahrzeugkupplungen und Keramikplatten in kugelsicheren Westen. Elektronische Anwendungen von Siliziumkarbid wie Leuchtdioden (LEDs) und Detektoren in frühen Funkgeräten wurden erstmals um 1907 demonstriert. SiC wird in Halbleiterelektronikgeräten verwendet, die bei hohen Temperaturen oder hohen Spannungen oder beidem arbeiten. Große Einkristalle aus Siliciumcarbid können nach der Lely-Methode gezüchtet und in Edelsteine ​​geschnitten werden, die als synthetischer Moissanit bekannt sind.

Geschichte[edit]

Frühe Experimente[edit]

Nicht systematische, weniger anerkannte und häufig nicht verifizierte Synthesen von Siliciumcarbid umfassen:

  • César-Mansuète Despretz leitet elektrischen Strom durch einen in Sand eingebetteten Kohlenstoffstab (1849)
  • Robert Sydney Marsdens Auflösung von Kieselsäure in geschmolzenem Silber in einem Graphittiegel (1881)
  • Paul Schuetzenbergers Erhitzen einer Mischung aus Silizium und Kieselsäure in einem Graphittiegel (1881)
  • Albert Colsons Erhitzen von Silizium unter einem Ethylenstrom (1882).[6]

Großserienfertigung[edit]

Eine Replikation der LED-Experimente von HJ Round

Die Produktion in großem Maßstab wird 1890 Edward Goodrich Acheson zugeschrieben.[7] Acheson versuchte künstliche Diamanten herzustellen, als er eine Mischung aus Ton (Aluminiumsilikat) und Kokspulver (Kohlenstoff) in einer Eisenschale erhitzte. Er nannte die blauen Kristalle, die sich bildeten KarborundIch glaube, es ist eine neue Verbindung aus Kohlenstoff und Aluminium, ähnlich wie Korund. 1893 entdeckte Ferdinand Henri Moissan das sehr seltene natürlich vorkommende SiC-Mineral bei der Untersuchung von Gesteinsproben, die im Meteoriten Canyon Diablo in Arizona gefunden wurden. Das Mineral wurde ihm zu Ehren Moissanit genannt. Moissan synthetisierte SiC auch auf verschiedenen Wegen, einschließlich Auflösen von Kohlenstoff in geschmolzenem Silizium, Schmelzen einer Mischung aus Calciumcarbid und Siliciumdioxid und Reduzieren von Siliciumdioxid mit Kohlenstoff in einem Elektroofen.

Acheson patentierte das Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidpulver am 28. Februar 1893.[8] Acheson entwickelte auch den elektrischen Chargenofen, mit dem SiC noch heute hergestellt wird, und gründete die Carborundum Company, um SiC in loser Schüttung herzustellen, zunächst zur Verwendung als Schleifmittel.[9] Im Jahr 1900 schloss sich das Unternehmen mit der Electric Smelting and Aluminium Company zusammen, als die Entscheidung eines Richters seinen Gründern “weitgehend Priorität” einräumte, “Erze und andere Substanzen nach der Glühlampenmethode zu reduzieren”.[10] Es wird gesagt, dass Acheson versuchte, Kohlenstoff in geschmolzenem Korund (Aluminiumoxid) aufzulösen, und das Vorhandensein von harten, blauschwarzen Kristallen entdeckte, von denen er glaubte, dass sie eine Verbindung aus Kohlenstoff und Korund sind: daher Karborund. Es kann sein, dass er das Material analog zum Korund “Carborundum” nannte, einer weiteren sehr harten Substanz (9 auf der Mohs-Skala).

Die erste Verwendung von SiC war als Schleifmittel. Es folgten elektronische Bewerbungen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde Siliziumkarbid in den ersten Radios als Detektor verwendet.[11] 1907 produzierte Henry Joseph Round die erste LED, indem er eine Spannung an einen SiC-Kristall anlegte und die Emission von Gelb, Grün und Orange an der Kathode beobachtete. Der Effekt wurde später 1923 von OV Losev in der Sowjetunion wiederentdeckt.[12]

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Natürliches Vorkommen[edit]

Moissanite-Einkristall (ca. 1 mm groß)

Natürlich vorkommender Moissanit kommt in bestimmten Meteoritentypen sowie in Korundablagerungen und Kimberlit in nur geringen Mengen vor. Nahezu das gesamte weltweit verkaufte Siliziumkarbid, einschließlich Moissanit-Juwelen, ist synthetisch. Natürlicher Moissanit wurde erstmals 1893 als kleiner Bestandteil des Canyon Diablo-Meteoriten in Arizona von Dr. Ferdinand Henri Moissan gefunden, nach dem das Material 1905 benannt wurde.[13] Moissans Entdeckung von natürlich vorkommendem SiC war zunächst umstritten, da seine Probe möglicherweise durch Siliziumkarbid-Sägeblätter kontaminiert war, die zu diesem Zeitpunkt bereits auf dem Markt waren.[14]

Obwohl Siliziumkarbid auf der Erde selten ist, ist es im Weltraum bemerkenswert häufig. Es ist eine häufige Form von Sternenstaub, die um kohlenstoffreiche Sterne herum gefunden wird, und Beispiele für diesen Sternenstaub wurden in makellosem Zustand in primitiven (unveränderten) Meteoriten gefunden. Das im Weltraum und in Meteoriten vorkommende Siliciumcarbid ist fast ausschließlich das Beta-Polymorph. Die Analyse der im Murchison-Meteoriten, einem kohlenstoffhaltigen Chondrit-Meteoriten, gefundenen SiC-Körner hat anomale Isotopenverhältnisse von Kohlenstoff und Silizium ergeben, was darauf hinweist, dass diese Körner außerhalb des Sonnensystems entstanden sind.[15]

Produktion[edit]

Synthetische SiC-Kristalle mit einem Durchmesser von ~ 3 mm

Da natürlicher Moissanit äußerst selten ist, ist das meiste Siliciumcarbid synthetisch. Siliziumkarbid wird als Schleifmittel sowie als Halbleiter- und Diamantsimulans von Edelsteinqualität verwendet. Das einfachste Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid besteht darin, Quarzsand und Kohlenstoff in einem elektrischen Widerstandsofen aus Acheson-Graphit bei einer hohen Temperatur zwischen 1.600 ° C (2.910 ° F) und 2.500 ° C (4.530 ° F) zu kombinieren. Feines SiO2 Partikel in Pflanzenmaterial (z. B. Reisschalen) können durch Erhitzen des überschüssigen Kohlenstoffs aus dem organischen Material in SiC umgewandelt werden.[16] Der Silikastaub, der ein Nebenprodukt bei der Herstellung von Siliziummetall- und Ferrosiliciumlegierungen ist, kann auch durch Erhitzen mit Graphit auf 1.500 ° C (2.730 ° F) in SiC umgewandelt werden.[17]

Das im Acheson-Ofen gebildete Material variiert in seiner Reinheit entsprechend seinem Abstand von der Wärmequelle des Graphitwiderstands. Farblose, hellgelbe und grüne Kristalle haben die höchste Reinheit und befinden sich am nächsten am Widerstand. Die Farbe ändert sich in größerem Abstand vom Widerstand zu Blau und Schwarz, und diese dunkleren Kristalle sind weniger rein. Stickstoff und Aluminium sind übliche Verunreinigungen und beeinflussen die elektrische Leitfähigkeit von SiC.[18]

Synthetische SiC-Lely-Kristalle

Reines Siliziumkarbid kann nach dem Lely-Verfahren hergestellt werden.[19] in dem SiC-Pulver in Hochtemperaturspezies von Silicium, Kohlenstoff, Siliciumdicarbid (SiC) sublimiert wird2) und Disiliciumcarbid (Si2C) in einer Argongasumgebung bei 2500 ° C und erneut in flockenartigen Einkristallen abgeschieden;[20] Größe bis zu 2 × 2 cm, auf einem etwas kälteren Untergrund. Dieses Verfahren liefert hochwertige Einkristalle, hauptsächlich aus 6H-SiC-Phase (wegen der hohen Wachstumstemperatur).

Ein modifiziertes Lely-Verfahren mit Induktionserwärmung in Graphittiegeln ergibt noch größere Einkristalle mit einem Durchmesser von 10 cm (4 Zoll) und einem 81-mal größeren Querschnitt als das herkömmliche Lely-Verfahren.[21]

Kubisches SiC wird normalerweise durch das teurere Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) von Silan, Wasserstoff und Stickstoff gezüchtet.[18][22] Homoepitaktische und heteroepitaktische SiC-Schichten können sowohl unter Verwendung von Gas- als auch Flüssigphasenansätzen gezüchtet werden.[23]

Zur Bildung von komplex geformtem SiC können vorkeramische Polymere als Vorläufer verwendet werden, die das Keramikprodukt durch Pyrolyse bei Temperaturen im Bereich von 1000–1100 ° C bilden.[24] Vorläufermaterialien, um auf diese Weise Siliciumcarbid zu erhalten, umfassen Polycarbosilane, Poly (methylsilyne) und Polysilazane.[25] Siliciumcarbidmaterialien, die durch Pyrolyse von präkeramischen Polymeren erhalten werden, sind als von Polymeren abgeleitete Keramiken oder PDCs bekannt. Die Pyrolyse von präkeramischen Polymeren wird am häufigsten unter einer inerten Atmosphäre bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt. Gegenüber dem CVD-Verfahren ist das Pyrolyseverfahren vorteilhaft, da das Polymer vor der Thermisierung in die Keramik in verschiedene Formen gebracht werden kann.[26][27][28][29]

SiC kann auch zu Wafern verarbeitet werden, indem ein Einkristall entweder mit einer Diamantdrahtsäge oder mit einem Laser geschnitten wird. SiC ist ein nützlicher Halbleiter, der in der Leistungselektronik verwendet wird.[30]

Struktur und Eigenschaften[edit]

Struktur der wichtigsten SiC-Polytypen.
SiC3Cstructure.jpg
SiC4Hstructure.jpg
SiC6Hstructure.jpg
(β) 3C-SiC 4H-SiC (α) 6H-SiC

Siliziumkarbid, Bild aufgenommen unter einem Stereomikroskop.

Siliziumkarbid liegt in etwa 250 kristallinen Formen vor.[31] Durch die Pyrolyse von vorkeramischen Polymeren in inerter Atmosphäre wird auch Siliciumcarbid in glasartiger amorpher Form hergestellt.[32] Der Polymorphismus von SiC ist durch eine große Familie ähnlicher kristalliner Strukturen gekennzeichnet, die als Polytypen bezeichnet werden. Es handelt sich um Variationen derselben chemischen Verbindung, die in zwei Dimensionen identisch sind und sich in der dritten unterscheiden. Somit können sie als Schichten angesehen werden, die in einer bestimmten Reihenfolge gestapelt sind.[33]

Alpha-Siliciumcarbid (α-SiC) ist das am häufigsten vorkommende Polymorph und wird bei Temperaturen über 1700 ° C gebildet und hat eine hexagonale Kristallstruktur (ähnlich wie Wurtzit). Die Beta-Modifikation (β-SiC) mit einer Zinkblende-Kristallstruktur (ähnlich wie Diamant) wird bei Temperaturen unter 1700 ° C gebildet.[34] Bis vor kurzem hatte die Beta-Form relativ wenige kommerzielle Verwendungen, obwohl das Interesse an ihrer Verwendung als Träger für heterogene Katalysatoren aufgrund ihrer im Vergleich zur Alpha-Form größeren Oberfläche zunimmt.

Eigenschaften der wichtigsten SiC-Polytypen[5][26]
Polytyp 3C (β) 4H 6H (α)
Kristallstruktur Zinkmischung (kubisch) Sechseckig Sechseckig
Raumgruppe T.2d-F43m C.46v-P63mc C.46v-P63mc
Pearson-Symbol cF8 hP8 hP12
Gitterkonstanten (Å) 4,3596 3,0730; 10.053 3,0810; 15.12
Dichte (g / cm3) 3.21 3.21 3.21
Bandlücke (eV) 2.36 3.23 3.05
Volumenmodul (GPa) 250 220 220
Wärmeleitfähigkeit (W⋅m−1⋅K−1)

@ 300 K (siehe [35] für temp. Abhängigkeit)

360 370 490

Reines SiC ist farblos. Die braune bis schwarze Farbe des Industrieprodukts resultiert aus Eisenverunreinigungen.[citation needed] Der regenbogenartige Glanz der Kristalle beruht auf der Dünnschichtinterferenz einer Passivierungsschicht aus Siliziumdioxid, die sich auf der Oberfläche bildet.

Die hohe Sublimationstemperatur von SiC (ca. 2700 ° C) macht es nützlich für Lager und Ofenteile. Siliziumkarbid schmilzt bei keiner bekannten Temperatur. Es ist auch chemisch hoch inert. Derzeit besteht großes Interesse an seiner Verwendung als Halbleitermaterial in der Elektronik, wo es aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, hohen Durchschlagfestigkeit des elektrischen Feldes und seiner hohen maximalen Stromdichte für Hochleistungsbauelemente vielversprechender ist als Silizium.[36] SiC hat auch einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (4,0 × 10)−6/ K) und erfährt keine Phasenübergänge, die zu Diskontinuitäten bei der Wärmeausdehnung führen würden.[18]

Elektrische Leitfähigkeit[edit]

Siliciumcarbid ist ein Halbleiter, der durch Stickstoff oder Phosphor vom n-Typ und durch Beryllium, Bor, Aluminium oder Gallium vom p-Typ dotiert werden kann.[5] Die metallische Leitfähigkeit wurde durch starke Dotierung mit Bor, Aluminium oder Stickstoff erreicht.

Supraleitung wurde in 3C-SiC: Al, 3C-SiC: B und 6H-SiC: B bei der gleichen Temperatur von 1,5 K nachgewiesen.[34][37] Ein entscheidender Unterschied wird jedoch für das Magnetfeldverhalten zwischen Aluminium- und Bordotierung beobachtet: SiC: Al ist vom Typ II, genau wie Si: B. Im Gegenteil, SiC: B ist Typ I. Bei dem Versuch, diesen Unterschied zu erklären, wurde festgestellt, dass Si-Stellen für die Supraleitung in SiC wichtiger sind als Kohlenstoffstellen. Während Bor Kohlenstoff in SiC ersetzt, ersetzt Al Si-Stellen. Daher “sehen” Al und B unterschiedliche Umgebungen, die unterschiedliche Eigenschaften von SiC: Al und SiC: B erklären könnten.[38]

Schleif- und Schneidwerkzeuge[edit]

Schneidscheiben aus SiC

In der Kunst ist Siliziumkarbid aufgrund der Haltbarkeit und der geringen Materialkosten ein beliebtes Schleifmittel im modernen Lapidarium. In der Fertigung wird es wegen seiner Härte bei Schleifbearbeitungsprozessen wie Schleifen, Honen, Wasserstrahlschneiden und Sandstrahlen eingesetzt. Siliziumkarbidpartikel werden auf Papier laminiert, um Sandpapiere und das Griffband auf Skateboards zu erzeugen.[39]

1982 wurde ein außergewöhnlich starker Verbund aus Aluminiumoxid- und Siliciumcarbid-Whiskern entdeckt. Die Entwicklung dieses im Labor hergestellten Verbundwerkstoffs zu einem kommerziellen Produkt dauerte nur drei Jahre. 1985 wurden die ersten kommerziellen Schneidwerkzeuge aus diesem mit Aluminiumoxid und Siliziumkarbid-Whisker verstärkten Verbundwerkstoff auf den Markt gebracht.[40]

Strukturmaterial[edit]

In den 1980er und 1990er Jahren wurde Siliziumkarbid in mehreren Forschungsprogrammen für Hochtemperatur-Gasturbinen in Europa, Japan und den USA untersucht. Die Komponenten sollten Turbinenschaufeln oder Düsenschaufeln aus Nickel-Superlegierung ersetzen.[41] Keines dieser Projekte führte jedoch zu einer Produktionsmenge, hauptsächlich wegen seiner geringen Schlagfestigkeit und seiner geringen Bruchzähigkeit.[42]

Wie andere Hartkeramiken (nämlich Aluminiumoxid und Borcarbid) wird Siliciumcarbid in Verbundpanzerungen (z. B. Chobham-Panzerungen) und in Keramikplatten in kugelsicheren Westen verwendet. Dragon Skin, hergestellt von Pinnacle Armor, verwendete Scheiben aus Siliziumkarbid.[43] Eine verbesserte Bruchzähigkeit in SiC-Panzerungen kann durch das Phänomen abnormalen Kornwachstums oder AGG erleichtert werden. Das Wachstum von ungewöhnlich langen Siliciumcarbidkörnern kann dazu dienen, einen Härtungseffekt durch Riss-Nachlauf-Überbrückung zu verleihen, ähnlich wie bei der Whisker-Verstärkung. Ähnliche AGG-Härtungseffekte wurden bei Siliziumnitrid (Si) berichtet3N.4).[44]

Siliziumkarbid wird als Träger- und Regalmaterial in Hochtemperaturöfen verwendet, beispielsweise zum Brennen von Keramik, zum Glasschmelzen oder zum Glasgießen. SiC-Ofenregale sind erheblich leichter und langlebiger als herkömmliche Aluminiumoxidregale.[45]

Im Dezember 2015 wurde die Infusion von Siliciumcarbid-Nanopartikeln in geschmolzenes Magnesium erwähnt, um eine neue starke und plastische Legierung herzustellen, die für den Einsatz in der Luftfahrt, Luft- und Raumfahrt, im Automobilbereich und in der Mikroelektronik geeignet ist.[46]

Autoteile[edit]

Die Scheibenbremse aus Carbon-Keramik (Siliziumkarbid) des Porsche Carrera GT

Mit Silizium infiltrierter Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff wird für Hochleistungsbremsscheiben aus “Keramik” verwendet, da diese extremen Temperaturen standhalten können. Das Silizium reagiert mit dem Graphit im Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbund zu kohlenstofffaserverstärktem Siliziumkarbid (C / SiC). Diese Bremsscheiben werden in einigen Straßensportwagen, Supersportwagen sowie anderen Hochleistungsautos verwendet, darunter der Porsche Carrera GT, der Bugatti Veyron, die Chevrolet Corvette ZR1, der McLaren P1,[47]Bentley, Ferrari, Lamborghini und einige spezielle Hochleistungsautos von Audi. Siliziumkarbid wird auch in gesinterter Form für Dieselpartikelfilter verwendet.[48] Es wird auch als Ölzusatz verwendet, um Reibung, Emissionen und Oberwellen zu reduzieren.[49][50]

Gießertiegel[edit]

SiC wird in Tiegeln zum Halten von schmelzendem Metall in kleinen und großen Gießereianwendungen verwendet.[51][52]

Elektrische Systeme[edit]

Die früheste elektrische Anwendung von SiC erfolgte in Blitzableitern in Stromversorgungssystemen. Diese Geräte müssen einen hohen Widerstand aufweisen, bis die Spannung an ihnen einen bestimmten Schwellenwert V erreichtT. An diesem Punkt muss ihr Widerstand auf ein niedrigeres Niveau fallen und dieses Niveau beibehalten, bis die angelegte Spannung unter V fälltT..[53]

Schon früh wurde erkannt, dass SiC einen solchen spannungsabhängigen Widerstand aufweist, und so wurden Säulen aus SiC-Pellets zwischen Hochspannungsleitungen und der Erde angeschlossen. Wenn ein Blitzschlag auf die Leitung die Netzspannung ausreichend erhöht, leitet die SiC-Säule, sodass der Schlagstrom harmlos zur Erde anstatt entlang der Stromleitung fließen kann. Die SiC-Säulen leiteten nachweislich signifikant bei normalen Betriebsspannungen der Stromleitung und mussten daher mit einer Funkenstrecke in Reihe geschaltet werden. Diese Funkenstrecke wird ionisiert und leitfähig gemacht, wenn ein Blitz die Spannung des Stromleitungsleiters erhöht, wodurch die SiC-Säule effektiv zwischen dem Stromleiter und der Erde verbunden wird. Funkenstrecken, die in Blitzableitern verwendet werden, sind unzuverlässig und schlagen entweder bei Bedarf nicht auf einen Lichtbogen ein oder schalten sich danach nicht aus, im letzteren Fall aufgrund von Materialversagen oder Verunreinigungen durch Staub oder Salz. Die Verwendung von SiC-Säulen sollte ursprünglich die Notwendigkeit einer Funkenstrecke in Blitzableitern beseitigen. SiC-Ableiter mit Lücken wurden zum Blitzschutz verwendet und unter anderem unter den Markennamen GE und Westinghouse verkauft. Der SiC-Ableiter mit Spalt wurde durch spaltfreie Varistoren, die Säulen aus Zinkoxidpellets verwenden, weitgehend verdrängt.[54]

Elektronische Schaltungselemente[edit]

Siliziumkarbid war das erste kommerziell wichtige Halbleitermaterial. Henry Harrison Chase Dunwoody patentierte 1906 eine Kristallradio-Detektordiode “Carborundum” (synthetisches Siliciumcarbid), die in Schiffsempfängern sehr früh Verwendung fand.

Leistungselektronische Geräte[edit]

Siliziumkarbid ist ein Halbleiter in der Forschung und frühen Massenproduktion, der Vorteile für schnelle Hochtemperatur- und / oder Hochspannungsbauelemente bietet. Die ersten verfügbaren Bauelemente waren Schottky-Dioden, gefolgt von Sperrschicht-Gate-FETs und MOSFETs für das Hochleistungsschalten. Derzeit werden Bipolartransistoren und Thyristoren entwickelt.[36]

Ein Hauptproblem für die SiC-Kommerzialisierung war die Beseitigung von Defekten: Kantenversetzungen, Schraubenversetzungen (sowohl hohler als auch geschlossener Kern), dreieckige Defekte und Versetzungen der Basisebene.[55] Infolgedessen zeigten Vorrichtungen aus SiC-Kristallen anfangs eine schlechte Rückblockierungsleistung, obwohl Forscher vorläufig Lösungen zur Verbesserung der Durchschlagleistung gefunden haben.[56]

Abgesehen von der Kristallqualität haben Probleme mit der Grenzfläche von SiC zu Siliziumdioxid die Entwicklung von Leistungs-MOSFETs auf SiC-Basis und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate behindert. Obwohl der Mechanismus noch unklar ist, hat das Nitrieren die Defekte, die die Grenzflächenprobleme verursachen, dramatisch reduziert.[57]

Im Jahr 2008 wurden die ersten kommerziellen JFETs mit einer Nennspannung von 1200 V auf den Markt gebracht.[58] 2011 folgten die ersten kommerziellen MOSFETs mit einer Nennspannung von 1200 V. JFETs sind jetzt mit einer Nennspannung von 650 V bis 1700 V und einem Widerstand von nur 25 mΩ erhältlich.[59] Neben SiC-Schaltern und SiC-Schottky-Dioden (auch Schottky-Barriere-Diode, SBD) in den beliebten TO-247- und TO-220-Gehäusen haben Unternehmen bereits früher damit begonnen, die bloßen Chips in ihre Leistungselektronikmodule zu implementieren.

SiC-SBD-Dioden fanden breite Verbreitung in PFC-Schaltungen und IGBT-Leistungsmodulen.[60]

Konferenzen wie die Internationale Konferenz für integrierte Leistungselektroniksysteme (CIPS) berichten regelmäßig über den technologischen Fortschritt von SiC-Leistungsgeräten. Die größten Herausforderungen für die vollständige Freisetzung der Funktionen von SiC-Leistungsgeräten sind:

  • Gate-Ansteuerung: SiC-Bauelemente erfordern häufig Gate-Ansteuerungsspannungspegel, die sich von ihren Silizium-Gegenstücken unterscheiden und sogar unsymmetrisch sein können, z. B. +20 V und –5 V.[61]
  • Verpackung: SiC-Chips haben möglicherweise eine höhere Leistungsdichte als Silizium-Leistungsgeräte und können höhere Temperaturen verarbeiten, die die Siliziumgrenze von 150 ° C überschreiten. Neue Die-Attach-Technologien wie das Sintern sind erforderlich, um die Wärme effizient aus den Geräten abzuleiten und eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten.[62]

LEDs[edit]

Das Phänomen der Elektrolumineszenz wurde 1907 unter Verwendung von Siliziumkarbid entdeckt und die ersten kommerziellen LEDs basierten auf SiC. Gelbe LEDs aus 3C-SiC wurden in den 1970er Jahren in der Sowjetunion hergestellt[63] und blaue LEDs (6H-SiC) weltweit in den 1980er Jahren.[64]

Die LED-Produktion wurde bald eingestellt, als ein anderes Material, Galliumnitrid, eine 10- bis 100-mal hellere Emission zeigte. Dieser Unterschied in der Effizienz ist auf die ungünstige indirekte Bandlücke von SiC zurückzuführen, während GaN eine direkte Bandlücke aufweist, die die Lichtemission begünstigt. SiC ist jedoch immer noch eine der wichtigsten LED-Komponenten – es ist ein beliebtes Substrat für wachsende GaN-Bauelemente und dient auch als Wärmeverteiler in Hochleistungs-LEDs.[64]

Astronomie[edit]

Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient, die hohe Härte, Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit machen Siliziumkarbid zu einem wünschenswerten Spiegelmaterial für astronomische Teleskope. Die Wachstumstechnologie (chemische Gasphasenabscheidung) wurde erweitert, um Scheiben aus polykristallinem Siliziumkarbid mit einem Durchmesser von bis zu 3,5 m (11 ft) herzustellen. Mehrere Teleskope wie das Herschel-Weltraumteleskop sind bereits mit SiC-Optiken ausgestattet.[65][66] Außerdem sind die Subsysteme des Gaia-Weltraumobservatoriums auf einem starren Siliziumkarbidrahmen montiert, der eine stabile Struktur bietet, die sich aufgrund von Hitze nicht ausdehnt oder zusammenzieht.

Dünne Filamentpyrometrie[edit]

Testflamme und glühende SiC-Fasern. Die Flamme ist ungefähr 7 cm hoch.

Siliziumkarbidfasern werden verwendet, um Gastemperaturen in einer optischen Technik zu messen, die als Dünnfilamentpyrometrie bezeichnet wird. Dabei wird ein dünnes Filament in einen heißen Gasstrom eingebracht. Strahlungsemissionen aus dem Filament können mit der Filamenttemperatur korreliert werden. Filamente sind SiC-Fasern mit einem Durchmesser von 15 Mikrometern, etwa einem Fünftel des eines menschlichen Haares. Weil die Fasern so dünn sind, stören sie die Flamme kaum und ihre Temperatur bleibt nahe der des lokalen Gases. Es können Temperaturen von ca. 800–2500 K gemessen werden.[67][68]

Heizelemente[edit]

Hinweise auf Siliziumkarbid-Heizelemente stammen aus dem frühen 20. Jahrhundert, als sie von Achesons Carborundum Co. in den USA und EKL in Berlin hergestellt wurden. Siliziumkarbid bot im Vergleich zu Metallheizgeräten erhöhte Betriebstemperaturen. Siliziumkarbidelemente werden heute beim Schmelzen von Glas und Nichteisenmetallen, bei der Wärmebehandlung von Metallen, bei der Herstellung von Floatglas, bei der Herstellung von Keramik- und Elektronikkomponenten, bei Zündern in Zündflammen für Gasheizgeräte usw. verwendet.[69]

Kernbrennstoffpartikel und Verkleidung[edit]

Siliziumkarbid ist ein wichtiges Material in TRISO-beschichteten Brennstoffpartikeln, der Art von Kernbrennstoff, der in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren wie dem Kieselbettreaktor vorkommt. Eine Schicht aus Siliziumkarbid gibt beschichteten Brennstoffpartikeln strukturelle Unterstützung und ist die Hauptdiffusionsbarriere für die Freisetzung von Spaltprodukten.[70]

Siliziumkarbid-Verbundmaterial wurde als Ersatz für Zircaloy-Ummantelungen in Leichtwasserreaktoren untersucht. Einer der Gründe für diese Untersuchung ist, dass Zircaloy infolge der Korrosionsreaktion mit Wasser eine Wasserstoffversprödung erfährt. Dies führt zu einer Verringerung der Bruchzähigkeit mit zunehmendem Volumenanteil an Radialhydriden. Dieses Phänomen nimmt mit zunehmender Temperatur zum Nachteil des Materials drastisch zu.[71] Siliziumkarbid-Ummantelungen erfahren nicht den gleichen mechanischen Abbau, sondern behalten mit zunehmender Temperatur ihre Festigkeitseigenschaften bei. Der Verbundstoff besteht aus SiC-Fasern, die um eine SiC-Innenschicht gewickelt und von einer SiC-Außenschicht umgeben sind.[72] Es wurden Probleme mit der Fähigkeit berichtet, die Teile des SiC-Verbundstoffs zu verbinden.[73]

Schmuck[edit]

Ein Moissanite Verlobungsring

Als Edelstein für Schmuck wird Siliziumkarbid nach dem Mineralnamen “synthetischer Moissanit” oder einfach “Moissanit” genannt. Moissanit ähnelt Diamant in mehreren wichtigen Punkten: Es ist transparent und hart (9–9,5 auf der Mohs-Skala im Vergleich zu 10 für Diamant) mit einem Brechungsindex zwischen 2,65 und 2,69 (im Vergleich zu 2,42 für Diamant). Moissanit ist etwas härter als gewöhnlicher Zirkonia. Im Gegensatz zu Diamant kann Moissanit stark doppelbrechend sein. Aus diesem Grund werden Moissanit-Juwelen entlang der optischen Achse des Kristalls geschnitten, um doppelbrechende Effekte zu minimieren. Es ist leichter (Dichte 3,21 g / cm3 3,53 g / cm3) und viel hitzebeständiger als Diamant. Dies führt zu einem Stein mit höherem Glanz, schärferen Facetten und guter Elastizität. Lose Moissanitsteine ​​können direkt in Wachsringformen zum Wachsausschmelzgießen gegeben werden, ebenso wie Diamant,[74] da Moissanit durch Temperaturen bis zu 1.800 ° C (3.270 ° F) unbeschädigt bleibt. Moissanit ist als Diamantersatz populär geworden und kann als Diamant falsch identifiziert werden, da seine Wärmeleitfähigkeit näher an Diamant liegt als jeder andere Ersatz. Viele thermische Diamantprüfgeräte können Moissanit nicht von Diamant unterscheiden, aber der Edelstein unterscheidet sich in seiner Doppelbrechung und einer sehr geringen grünen oder gelben Fluoreszenz unter ultraviolettem Licht. Einige Moissanitsteine ​​haben auch gekrümmte, schnurartige Einschlüsse, die Diamanten niemals haben.[75]

Stahlproduktion[edit]

Stück Siliziumkarbid zur Stahlherstellung

Siliziumkarbid, gelöst in einem Sauerstoff-Grundofen zur Herstellung von Stahl, wirkt als Brennstoff. Die zusätzlich freigesetzte Energie ermöglicht es dem Ofen, mehr Schrott mit der gleichen Ladung heißem Metall zu verarbeiten. Es kann auch verwendet werden, um die Zapftemperaturen zu erhöhen und den Kohlenstoff- und Siliziumgehalt einzustellen. Siliziumkarbid ist billiger als eine Kombination aus Ferrosilicium und Kohlenstoff, erzeugt saubereren Stahl und geringere Emissionen aufgrund geringer Mengen an Spurenelementen, hat einen niedrigen Gasgehalt und senkt die Stahltemperatur nicht.[76]

Katalysatorunterstützung[edit]

Die natürliche Oxidationsbeständigkeit von Siliciumcarbid sowie die Entdeckung neuer Wege zur Synthese der kubischen β-SiC-Form mit ihrer größeren Oberfläche haben zu einem erheblichen Interesse an ihrer Verwendung als heterogener Katalysatorträger geführt. Diese Form wurde bereits als Katalysatorträger für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie n-Butan zu Maleinsäureanhydrid eingesetzt.[77][78]

Carborundum Druckgrafik[edit]

Siliziumkarbid wird in der Karborunddruckherstellung verwendet – eine Technik zur Herstellung von Absatzabschnitten. Karborundkorn wird in einer Paste auf die Oberfläche einer Aluminiumplatte aufgetragen. Wenn die Paste trocken ist, wird Tinte aufgetragen und in ihrer körnigen Oberfläche eingeschlossen und dann von den bloßen Bereichen der Platte abgewischt. Die Tintenplatte wird dann in einer Rollbettpresse, die für die Tiefdruckherstellung verwendet wird, auf Papier gedruckt. Das Ergebnis ist ein Druck von gemalten Markierungen, die in das Papier geprägt sind.

Karborundkorn wird auch in der Steinlithographie verwendet. Seine einheitliche Partikelgröße ermöglicht es, einen Stein zu “körnen”, der das vorherige Bild entfernt. In einem ähnlichen Verfahren wie beim Schleifen wird Carborundum mit gröberer Körnung auf den Stein aufgetragen und mit einem Levigator bearbeitet. Anschließend wird allmählich feinere und feinere Körnung aufgetragen, bis der Stein sauber ist. Dadurch entsteht eine fettempfindliche Oberfläche.[79]

Graphenproduktion[edit]

Siliciumcarbid kann aufgrund seiner chemischen Eigenschaften, die die epitaktische Produktion von Graphen auf der Oberfläche von SiC-Nanostrukturen fördern, zur Herstellung von Graphen verwendet werden.

Bei seiner Herstellung wird Silizium hauptsächlich als Substrat für das Wachstum des Graphens verwendet. Es gibt jedoch tatsächlich mehrere Methoden, mit denen das Graphen auf dem Siliciumcarbid gezüchtet werden kann. Das CCS-Wachstumsverfahren (Confinement Controlled Sublimation) besteht aus einem SiC-Chip, der unter Vakuum mit Graphit erhitzt wird. Dann wird das Vakuum sehr allmählich gelöst, um das Wachstum von Graphen zu kontrollieren. Diese Methode liefert die hochwertigsten Graphenschichten. Es wurde jedoch berichtet, dass auch andere Methoden das gleiche Produkt ergeben.

Eine andere Möglichkeit, Graphen zu züchten, wäre die thermische Zersetzung von SiC bei einer hohen Temperatur im Vakuum.[80] Es stellt sich jedoch heraus, dass diese Methode Graphenschichten ergibt, die kleinere Körner innerhalb der Schichten enthalten.[81] Daher wurden Anstrengungen unternommen, um die Qualität und Ausbeute von Graphen zu verbessern. Eine solche Methode ist durchzuführen ex situ Graphitisierung von siliciumterminiertem SiC in einer Atmosphäre bestehend aus Argon. Es hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren Graphenschichten mit größeren Domänengrößen ergibt als die Schicht, die mit anderen Verfahren erreichbar wäre. Diese neue Methode kann sehr nützlich sein, um Graphen höherer Qualität für eine Vielzahl von technologischen Anwendungen herzustellen.

Wenn es darum geht zu verstehen, wie oder wann diese Methoden der Graphenherstellung anzuwenden sind, produzieren oder züchten die meisten von ihnen dieses Graphen hauptsächlich auf dem SiC in einer wachstumsfördernden Umgebung. Aufgrund der thermischen Eigenschaften von SiC wird es am häufigsten bei höheren Temperaturen (z. B. 1300 ° C) verwendet.[82] Es wurden jedoch bestimmte Verfahren durchgeführt und untersucht, die möglicherweise zu Methoden führen könnten, bei denen niedrigere Temperaturen zur Herstellung von Graphen verwendet werden. Insbesondere wurde beobachtet, dass dieser unterschiedliche Ansatz zum Graphenwachstum Graphen in einer Temperaturumgebung von etwa 750 ° C erzeugt. Diese Methode beinhaltet die Kombination bestimmter Methoden wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und Oberflächentrennung. Und wenn es um das Substrat geht, würde das Verfahren darin bestehen, ein SiC-Substrat mit dünnen Filmen eines Übergangsmetalls zu beschichten. Und nach der schnellen Wärmebehandlung dieser Substanz würden die Kohlenstoffatome an der Oberflächengrenzfläche des Übergangsmetallfilms häufiger auftreten, was dann zu Graphen führen würde. Es wurde festgestellt, dass dieser Prozess Graphenschichten ergibt, die auf der gesamten Substratoberfläche kontinuierlicher sind.[83]

Quantenphysik[edit]

Siliziumkarbid kann Punktdefekte im Kristallgitter enthalten, die als Farbzentren bekannt sind. Diese Defekte können bei Bedarf Einzelphotonen erzeugen und somit als Plattform für Einzelphotonenquellen dienen. Ein solches Gerät ist eine grundlegende Ressource für viele aufkommende Anwendungen der Quanteninformationswissenschaft. Wenn man ein Farbzentrum über eine externe optische Quelle oder elektrischen Strom pumpt, wird das Farbzentrum in den angeregten Zustand gebracht und entspannt sich dann mit der Emission eines Photons.[84][85]

Ein bekannter Punktdefekt in Siliciumcarbid ist die Divacancy, die eine ähnliche elektronische Struktur aufweist wie das Stickstoffleerstellenzentrum in Diamant. In 4H-SiC weist die Divacancy vier verschiedene Konfigurationen auf, die vier Null-Phonon-Linien (ZPL) entsprechen. Diese ZPL-Werte werden mit der Notation V geschriebenSi-VC. und die Einheit eV: hh (1,095), kk (1,096), kh (1,119) und hk (1,150).[86]

Angelrutenführungen[edit]

Siliziumkarbid wird aufgrund seiner Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit bei der Herstellung von Angelführern verwendet.[87] Siliziumkarbidringe sind in einen Führungsrahmen eingepasst, der normalerweise aus Edelstahl oder Titan besteht und verhindert, dass die Schnur den Stangenrohling berührt. Die Ringe bieten eine reibungsarme Oberfläche, die den Wurfabstand verbessert und gleichzeitig eine ausreichende Härte bietet, die den Abrieb von geflochtenen Angelschnüren verhindert.[88]

Siehe auch[edit]

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Externe Links[edit]


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