EXPLORER L'UTILISATION DU SUBSTRAT EN CARBURE DE SILICIUM : UN MATÉRIAU CÉRAMIQUE AVANCÉ

Introduction:

La céramique au carbure de silicium est l'un des matériaux céramiques de pointe qui fait fureur dans le secteur manufacturier. Le monde scientifique est enthousiasmé par cette découverte. Ce matériau céramique de pointe répond à de nombreux besoins des industriels, notamment dans le secteur de l'électronique de puissance.

Origine du carbure de silicium

Le semi-conducteur avancé connu aujourd'hui sous le nom de carbure de silicium a été découvert par hasard en 1891 par Acheson Ed. Ce scientifique américain souhaitait proposer une alternative aux diamants. Son intention était claire, mais le résultat de son expérience a donné naissance au carbure de silicium, ce qui lui a valu sa popularité, une découverte jamais réalisée auparavant.

Le carbure de silicium a également été découvert naturellement sous forme de minéral dans une météorite en 1893 par Moissan Henri. C'est ainsi qu'il a reçu son autre nom, Moissanite. En raison de cette découverte et de la ressemblance de ses composants avec la poussière d'étoile, le carbure de silicium a été baptisé « pierre précieuse venue du ciel »4.

FIG 1 : Un morceau de météorite

Préparation commerciale de carbure de silicium

La céramique de carbure de silicium peut être produite synthétiquement en quantités commerciales. Il existe deux méthodes connues pour sa production synthétique : la méthode Lely, initiée par Anthony Lely en 1955, également connue sous le nom de technologie de croissance cristalline, et la méthode chimique en phase vapeur.

FIG. 2 : Liaison covalente du carbure de silicium

1. Méthode Lely : Il s'agit d'un procédé de production commerciale de cristaux de carbure de silicium pour l'industrie des semi-conducteurs. La poudre de carbure de silicium est sublimée et chauffée dans un creuset à très haute température avec de l'argon. Les cristaux adhèrent ensuite à une tige placée au centre du creuset, à une température plus basse.

2. Méthode de la vapeur chimique : Il s'agit d'une méthode adoptée par les industries métallurgiques et extractives pour générer des produits d'une grande pureté8. La méthode chimique en phase vapeur implique la décomposition des atomes de silicium et de carbone dans un environnement contrôlé. La décomposition incomplète résultant de cette méthode produit des substrats en carbure de silicium, utilisés par l'industrie des semi-conducteurs7.

Les multiples dimensions du carbure de silicium en tant que céramique semi-conductrice

Le carbure de silicium est une substance également connue sous le nom de carborundum. On le connaît également sous les noms de semi-conducteur en carbure de silicium, de silicium, de céramique et de substrat en carbure de silicium. Nous intervertirons souvent ces noms lors de notre présentation des différentes caractéristiques de cette céramique avancée.

Néanmoins, quel que soit le nom choisi pour la substance, ses caractéristiques fondamentales restent les mêmes. Les caractéristiques de la céramique sic qui seront examinées plus en détail sont les propriétés chimiques, physiques et mécaniques.

Propriétés chimiques du carbure de silicium (Sic) : Le carbure de silicium est un composé chimique composé d'ions silicium et carbone fortement liés. Les fortes liaisons de cette céramique avancée la rendent chimiquement inerte. La bande interdite de sa structure chimique est élevée, ce qui en fait une céramique semi-conductrice très efficace.

En d'autres termes, le silicium est difficilement désintégrable par d'autres substances chimiques, notamment les acides et les bases. La liaison tétraédrique des atomes de silicium et de carbone produit un substrat en carbure de silicium1. Par conséquent, le silicium possède la composition interne requise, idéale pour le secteur manufacturier, notamment pour les semi-conducteurs.

Il est également très résistant aux sels et aux alcalis et ne se dissout pas dans l'eau. Il peut être dissous dans le fer fondu ainsi que dans certaines formes d'acide fluorhydrique.

Sur le plan électronique, la densité de porteurs intrinsèque du silicium céramique est très faible, ce qui améliore son aptitude aux opérations à haute température.

Propriétés physiques : Ces caractéristiques se reflètent facilement dans la couleur, la forme et la texture de la substance. Le carborundum est une gemme, ce qui se reflète dans ses différentes nuances de couleurs. Tout comme les diamants, il est très apprécié pour son éclat, et les couleurs sont classées de 4 à 7. Il est également important de noter que son éclat verdâtre peut faire croire qu'il s'agit d'un diamant.

Également connu sous le nom de SiC-CTE en raison de ses caractéristiques thermiques, le SiC-CTE définissant son coefficient thermique, le carbure de silicium est réputé pour sa grande conductivité électrique. Il présente un point d'ébullition et un point de fusion très élevés.

Propriétés mécaniques du carbure de silicium : Le carbure de silicium est un matériau très dur. Il s'agit même de la substance la plus dure2. Il est réputé pour sa dureté, juste derrière le diamant. La covalence des liaisons entre les atomes de silicium et de carbone dans le carbure de silicium le rend très dur8. La céramique au silicium est considérée comme très résistante à la corrosion et aux chocs.

La céramique Sic a un poids important, ainsi qu'une grande capacité d'absorption.

Carborundum et polytypisme : La céramique SiC cristallise en différentes structures grâce à un processus appelé polytypisme2, qui produit des polytypes de céramique avancée. La formation de polytypes dans le carbure de silicium est attribuée aux différences de caractéristiques de surface du carbone et du silicium5.

Les polytypes de céramiques SiC présentent des caractéristiques distinctives en termes de mobilité, de bande interdite et de propriétés électroniques. Ils se distinguent également par l'empilement de leurs cristaux. Les caractéristiques cristallines du carbure de silicium sont à l'origine de sa forme de carborundum, une pierre précieuse très prisée.

La mobilité des polytypes céramiques SIC est démontrée dans les utilisations du carbure de silicium pour le développement de matériaux acoustiques.

FIG 3 : Cristaux de céramique Sic

Utilisations de la céramique SIC (carbure de silicium) :

1. La céramique SiC est considérée comme l'un des meilleurs matériaux céramiques avancés utilisés dans la production d'équipements balistiques. Parmi ceux-ci figurent les vêtements de protection corporelle tels que les gilets pare-balles. La plupart de ces gilets utilisent des matériaux céramiques avancés comme couche avant. Ceci est dû à la capacité du semi-conducteur à dévier les projectiles à grande vitesse, comme les balles9.

2. Le SiC-CTE est utilisé comme revêtement pour la technologie des microsystèmes électromécaniques (MEMS) déployée dans les systèmes biomédicaux et biochimiques10. Les produits électriques issus de la technologie MEMS, tels que les générateurs et les composants acoustiques, nécessitent ces caractéristiques du SiC-CTE. Le choix du SiC-CTE vise à optimiser la rentabilité de la production et à garantir sa fiabilité8.

FIG 4 : Semi-conducteurs en carbure de silicium dans les pièces du générateur

3. Le carbure de silicium est un matériau céramique avancé et fiable utilisé dans la production de briques durables pour la construction. Le silicium présent dans l'argile utilisée pour la production de briques lui confère ses propriétés céramiques avancées. Les briques sont utilisées dans la construction pour assurer résistance, durabilité et une bonne ventilation des structures11.

FIG 5 : Semi-conducteur en carbure de silicium (briques)

4. Le secteur aéronautique est réputé pour l'importance qu'il accorde à la qualité et à la durabilité de ses équipements. C'est pourquoi le revêtement en céramique de silicium est utilisé dans la construction des avions. Il garantit une résistance suffisante aux vents violents et aux rafales de vent. Le poids approprié de la céramique de silicium utilisée garantit également la flottabilité des avions.

FIG 6 : Pièces d'avion fabriquées en céramique de silicium

5. Les caractéristiques physiques et microstructurelles des matériaux céramiques avancés, comme la céramique silicium, en font un choix de premier ordre. Ils sont utilisés avec succès dans la fabrication de composants critiques d'équipements électriques tels que des générateurs et des instruments chirurgicaux. Leur utilisation sous forme de couches minces assure leur durabilité et leur résistance à l'usure.

FIG 7 : Utilisation du Sic en électronique.

6. Nous avons mentionné au début de cet article que le carbure de silicium est également connu sous le nom de carborundum. Ce terme s'applique particulièrement à la céramique de silicium utilisée en joaillerie. Alternative intéressante au diamant, le carborundum est très prisé pour la fabrication de bagues de fiançailles. Moins cher que le diamant, il a tout autant d'impact !

7. La capacité du carbure de silicium à supporter des tensions électriques élevées le rend adapté aux véhicules électriques et solaires. Le carbure de silicium possède une conductivité thermique très élevée et favorise la dissipation de la chaleur entre les composants des véhicules électriques12. La céramique SiC utilisée dans les chargeurs de véhicules électriques (VE) améliore l'efficacité en réduisant les besoins en autres composants12.

8. La céramique SiC est utile pour les procédés photocatalytiques. Ces procédés permettent d'améliorer les processus thermodynamiques en utilisant l'énergie lumineuse pour la photosynthèse. Les procédés photocatalytiques contribuent à réduire l'exposition de l'environnement aux produits chimiques et aux toxines issus des activités industrielles. Le carbure de silicium est ainsi un outil précieux pour la protection de notre environnement13.

9. La dureté des matériaux céramiques en silicium les rend particulièrement adaptés à une utilisation comme abrasifs. Ces derniers doivent posséder une résistance à la traction et une durabilité élevées. Les abrasifs tels que la céramique en silicium sont utilisés dans divers secteurs, notamment la construction et les technologies. Le papier de verre, utilisé pour lisser les surfaces rugueuses et tendres, est un exemple d'abrasif14.

FIG 8 : Abrasif au carbure de silicium - papier de verre

10. Le carbure de silicium est également utilisé pour la fabrication de matériaux de coupe. Sa dureté lui permet de résister à la corrosion lors de la découpe d'autres objets. Les matériaux revêtus de céramique de silicium offrent un potentiel de précision et de dureté pour la découpe de matériaux durs. De plus, la céramique de carbure de silicium utilisée pour la coupe ne s'use ni ne se corrode facilement, malgré des utilisations répétées.

Défis dans l'utilisation du carbure de silicium comprennent les éléments suivants :

Ø Le carbure de silicium est un matériau très rare. De ce fait, sa disponibilité dépend de sa production commerciale, qui, dans la plupart des cas, produit des formes impures du composé.

Ø Les coûts de production du carbure de silicium sont élevés et cela se reflète dans le coût d’achat élevé pour les industriels qui en ont besoin.

Conclusion:

Le carbure de silicium est une excellente découverte et continue d'avoir un impact considérable dans ses diverses applications. Nous espérons que de nouvelles avancées technologiques permettront de développer des méthodes plus économiques et de le rendre accessible à un plus grand nombre d'industriels.