ERKUNDUNG DER VERWENDUNG VON SILIZIUMKARBID-SUBSTRAT: EIN FORTSCHRITTLICHES KERAMIKMATERIAL

Einführung:

Siliziumkarbidkeramik ist ein hochentwickeltes Keramikmaterial, das in der Fertigungsindustrie für Aufsehen sorgt. Die Wissenschaft ist von dieser Entdeckung begeistert. Es handelt sich um ein hochentwickeltes Keramikmaterial, das Antworten auf viele Bedürfnisse der Industrie, insbesondere der Leistungselektronik, liefert.

Herkunft von Siliziumkarbid

Der heute als Siliziumkarbid bekannte Halbleiter wurde 1891 zufällig von Ed. Acheson entdeckt. Er war ein amerikanischer Wissenschaftler, der eine Alternative zu Diamanten schaffen wollte. Seine Absicht war klar, doch das Ergebnis seines Experiments war Siliziumkarbid, das ihm Popularität verschaffte, da zuvor niemand eine solche Entdeckung gemacht hatte.

Moissan Henri entdeckte Siliziumkarbid 1893 auch in der Natur als Mineral in einem Meteoriten. Daher stammt auch sein anderer Name: Moissanit. Aufgrund dieser Entdeckung und der Ähnlichkeit seiner Bestandteile mit Sternenstaub erhielt Siliziumkarbid den Namen „Edelstein des Himmels“.

Abb. 1: Ein Stück Meteorit

Kommerzielle Herstellung von Siliziumkarbid

Siliziumkarbidkeramik kann synthetisch in kommerziellen Mengen hergestellt werden. Es gibt zwei bekannte Methoden zur synthetischen Herstellung von Siliziumkarbid: die 1955 von Anthony Lely eingeführte Lely-Methode, auch bekannt als Kristallwachstumstechnologie, und die chemische Dampfmethode.

Abb. 2: Kovalente Bindung von Siliziumkarbid

1. Lely-Methode: Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur kommerziellen Herstellung von Siliziumkarbidkristallen für die Halbleiterindustrie. Dabei wird Siliziumkarbidpulver sublimiert und in einem Tiegel mit Argongas auf sehr hohe Temperaturen erhitzt. Anschließend haften die Kristalle an einem Stab in der Mitte des Tiegels, der eine niedrigere Temperatur aufweist.

2. Chemische Dampfmethode: Dieses Verfahren wurde in der Metallurgie und der Rohstoffindustrie zur Herstellung hochreiner Produkte eingesetzt8. Bei der chemischen Dampfmethode werden Silizium- und Kohlenstoffatome in einer kontrollierten Umgebung zerlegt. Durch den unvollständigen Zerfall entstehen Siliziumkarbidsubstrate, die in der Halbleiterindustrie Verwendung finden7.

Die vielen Dimensionen von Siliziumkarbid als Halbleiterkeramik

Siliziumkarbid ist eine Substanz, die auch als Carborundum bezeichnet wird. Andere Bezeichnungen sind Siliziumkarbid-Halbleiter, SiC, Keramik-SiC und Siliziumkarbid-Substrat. Wir werden die Namen bei der Erörterung der verschiedenen Eigenschaften dieser Hochleistungskeramik häufig vertauschen.

Unabhängig davon, welchen Namen Sie dem Stoff geben, bleiben seine grundlegenden Eigenschaften gleich. Die Merkmale der SiC-Keramik, die im Folgenden näher untersucht werden, sind die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften.

Chemische Eigenschaften von Siliziumkarbid (Sic): Siliziumkarbid ist eine chemische Verbindung aus Silizium- und Kohlenstoffionen, die stark miteinander verbunden sind. Die starken Bindungen dieser Hochleistungskeramik machen sie chemisch inert. Die Bandlücke ihrer chemischen Struktur ist groß, was sie als Halbleiterkeramik (SiC-Keramik) hochwirksam macht.

Mit anderen Worten: SiC kann durch andere chemische Substanzen, insbesondere Säuren und Laugen, nicht so leicht zersetzt werden. Die tetraedrische Bindung von Silizium- und Kohlenstoffatomen erzeugt ein Siliziumkarbidsubstrat1. Dadurch verfügt SiC über die erforderliche innere Zusammensetzung, die sich gut für den Fertigungssektor, insbesondere als Halbleiter, eignet.

Es ist außerdem sehr beständig gegenüber Salzen und Laugen und kann nicht in Wasser gelöst werden. Es kann jedoch in geschmolzenem Eisen sowie einigen Formen von Flusssäure gelöst werden.

Aus elektronischer Sicht ist die intrinsische Ladungsträgerdichte von keramischem SiC sehr gering, was seine Eignung für den Betrieb bei hohen Temperaturen verbessert.

Physikalische Eigenschaften: Diese spiegeln sich deutlich in Farbe, Form und Textur der Substanz wider. Karborund ist ein Edelstein, was sich in seinen verschiedenen Farbtönen widerspiegelt. Genau wie Diamanten werden sie wegen ihres Glanzes hoch geschätzt, und die Farben werden von 4 bis 7 eingestuft. Es ist auch wichtig zu beachten, dass ihr grünlicher Glanz zu Verwechslungen mit Diamanten führen kann.

Aufgrund seiner thermischen Eigenschaften wird Siliziumkarbid auch als SiC-Wärmekoeffizient bezeichnet. Siliziumkarbid-Werkstoffe gelten als hochleitfähig. Sie haben einen sehr hohen Siede- und Schmelzpunkt.

Mechanische Eigenschaften von Siliziumkarbid: Siliziumkarbid ist ein sehr hartes Material. Tatsächlich ist es die härteste Substanz überhaupt. Siliziumkarbid gilt als ein Material, das nach Diamanten am härtesten ist. Die Kovalenz der Bindungen der Silizium- und Kohlenstoffatome in Siliziumkarbid macht es sehr hart. Siliziumkarbidkeramik gilt als äußerst korrosions- und stoßbeständig.

SiC-Keramik hat ein hohes Gewicht und eine hohe Absorptionskapazität.

Carborundum und Polytypismus: SiC-Keramik kristallisiert in verschiedenen Strukturen durch einen als Polytypismus bekannten Prozess2, der Polytypen der Hochleistungskeramik erzeugt. Die Bildung von Polytypen in Siliziumkarbid wird auf die Unterschiede in den Oberflächeneigenschaften von Kohlenstoff und Silizium zurückgeführt5.

Polytypen von SiC-Keramik unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Beweglichkeit, Bandlücke und elektronischen Eigenschaften. Sie unterscheiden sich auch hinsichtlich der Stapelung ihrer Kristalle.2 Die kristallinen Eigenschaften von Siliziumkarbid führten zu seiner Form als Karborund, einem hochgeschätzten Edelstein.

Die Mobilität von SiC-Keramikpolytypen zeigt sich bei der Verwendung von Siliziumkarbid für die Entwicklung akustischer Materialien.

Abb. 3: SiC-Keramikkristalle

Verwendung von SiC-Keramik (Siliziumkarbid):

1. SiC-Keramik gilt als eines der besten modernen Keramikmaterialien für die Herstellung ballistischer Ausrüstung. Dazu gehört auch Körperschutzkleidung wie kugelsichere Westen. Die meisten kugelsicheren Westen bestehen aus modernen Keramikmaterialien als Frontschicht. Dies liegt an der Fähigkeit des Halbleiters, Hochgeschwindigkeitsgeschosse wie Kugeln abzulenken9.

2. SiC-Kohlenstoff wird als Beschichtung für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) in biomedizinischen und biochemischen Systemen verwendet10. Elektrische Produkte der MEMS-Technologie wie Generatoren und Akustikprodukte erfordern diese Eigenschaften von SiC-Kohlenstoff. Ziel bei der Wahl von SiC-Kohlenstoff ist die Erzielung von Kosteneffizienz in der Produktion sowie Zuverlässigkeit8.

Abb. 4: Siliziumkarbid-Halbleiter in Generatorteilen

3. Siliziumkarbid ist ein bewährtes, hochentwickeltes Keramikmaterial, das zur Herstellung langlebiger Ziegel verwendet wird. Das im Ton enthaltene Silizium verleiht Ziegeln die Eigenschaft hochentwickelter Keramik. Ziegel werden im Bauwesen eingesetzt, um Festigkeit, Haltbarkeit und eine gute Belüftung von Bauwerken zu gewährleisten11.

Abb. 5: Siliziumkarbid-Halbleiter (Bricks)

4. Die Luftfahrtbranche legt Wert auf Qualität und Langlebigkeit ihrer Ausrüstung. Dies spiegelt sich in der Verwendung von Siliziumkeramikbeschichtungen im Flugzeugbau wider. Dadurch wird sichergestellt, dass Flugzeuge stabil genug sind, um den Kräften von Hochgeschwindigkeitswinden und -fahrzeugen standzuhalten. Das entsprechende Gewicht der verwendeten Siliziumkeramik sorgt zudem dafür, dass Flugzeuge über Wasser bleiben.

Abb. 6: Flugzeugteile aus SiC-Keramik

5. Die physikalischen und mikrostrukturellen Eigenschaften moderner Keramikwerkstoffe wie SiC-Keramik machen sie zur ersten Wahl. Sie werden bei der Herstellung kritischer Komponenten elektrischer Geräte wie Generatoren und chirurgischer Instrumente eingesetzt. Durch den Einsatz als dünne Filme sind die Materialien langlebig und verschleißfest.

Abb. 7: Verwendung von Sic in der Elektronik.

6. Wie bereits erwähnt, ist Siliziumkarbid auch als Carborund bekannt. Der Begriff Carborund wird insbesondere für die Herstellung von Schmuck verwendet. Als gute Alternative zu Diamanten wird Carborund gerne für die Herstellung von Verlobungsringen verwendet. Es ist günstiger als Diamanten, aber genauso wirkungsvoll!

7. Die Fähigkeit von Siliziumkarbid, hohe elektrische Spannungen zu unterstützen, macht es für Elektro- und Solarfahrzeuge geeignet. Siliziumkarbid hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und fördert die Wärmeableitung zwischen den Komponenten von Elektrofahrzeugen12. SiC-Keramik, die in Ladegeräten für Elektrofahrzeuge (EV) verwendet wird, steigert die Effizienz, indem sie den Bedarf an anderen Komponenten reduziert12.

8. SiC-Keramik eignet sich für photokatalytische Prozesse. Dabei handelt es sich um Verfahren, die thermodynamische Prozesse durch die Nutzung von Lichtenergie für die Photosynthese beschleunigen. Photokatalytische Prozesse tragen dazu bei, die Belastung der Umwelt durch Chemikalien und Giftstoffe aus industriellen Aktivitäten zu reduzieren. Auf diese Weise ist Siliziumkarbid ein nützliches Instrument zum Schutz unserer Umwelt13.

9. Aufgrund ihrer Härte eignen sich SiC-Keramikmaterialien hervorragend als Schleifmittel. Schleifmittel selbst müssen sowohl Zugfestigkeit als auch Haltbarkeit aufweisen. Schleifmittel wie SiC-Keramik werden in verschiedenen Bereichen wie dem Bauwesen und der Technologie eingesetzt. Beispiele für Schleifmittel sind Schleifpapier, das zum Glätten weicher, rauer Oberflächen verwendet wird14.

Abb. 8: Siliziumkarbid-Schleifmittel – Schleifpapier

10. Siliziumkarbid wird auch zur Herstellung von Schneidmaterialien verwendet. Es ist sehr hart und daher beim Schneiden anderer Objekte korrosionsbeständig. Mit Siliziumkarbidkeramik beschichtete Materialien bieten beim Schneiden harter Materialien ein hohes Maß an Präzision und Härte. Siliziumkarbidkeramik zum Schneiden nutzt sich auch bei wiederholtem Einsatz nicht so leicht ab oder korrodiert.

Herausforderungen in der Nutzung Zu den Siliziumkarbid-Produkten gehören:

Ø Siliziumkarbid ist ein sehr seltenes Material. Daher ist seine Verfügbarkeit von der kommerziellen Produktion abhängig, die in den meisten Fällen zu unreinen Formen der Verbindung führt.

Ø Die Produktionskosten von Siliziumkarbid sind hoch und dies spiegelt sich in den hohen Anschaffungskosten für die Industrie wider, die es benötigen.

Abschluss:

Siliziumkarbid ist eine sehr gute Entdeckung und hat in seinen verschiedenen Anwendungsformen weiterhin große Wirkung gezeigt. Wir hoffen, dass weitere technologische Fortschritte zu günstigeren Methoden führen werden, um Siliziumkarbid für mehr Industrieunternehmen verfügbar zu machen.