Natura e proprietà della ceramica semiconduttrice

Introduzione: Le ceramiche semiconduttrici sono composti chimici molto utili nei processi produttivi grazie alle loro caratteristiche uniche. Questo articolo esamina la natura e le proprietà di cinque ceramiche semiconduttrici, nonché i loro utilizzi nel settore manifatturiero. Una buona conoscenza di queste ceramiche semiconduttrici ne migliorerà l'utilizzo.

Allumina come ceramica semiconduttrice

L'allumina è anche nota come ossido di allumina. È una ceramica semiconduttrice. Si trova in natura sotto forma minerale. Può anche essere prodotta sinteticamente, attraverso la fusione di materiali solidi di alluminio. L'allumina si trova in varie forme, per questo motivo è detta amorfa. Ad esempio, l'allumina che si trova in forma cristallina è nota come corindone.

La tabella seguente mostra le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche dell'allumina.

Tabella 1: Proprietà dell'allumina (ossido di alluminio), una ceramica semiconduttiva

Utilizzi dell'allumina nella ceramica semiconduttrice: Gli scopi per cui l'allumina viene utilizzata sono legati alle sue caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche come ceramica semiconduttrice. Sono i seguenti:

• Rivestimento di apparecchiature utilizzate come forni, poiché l'allumina ha la capacità di resistere a temperature molto elevate;

• Utilizzato per la produzione di gioielli

• Utilizzato per la produzione di attrezzature da taglio, a causa della sua natura dura; e

• Utilizzato per la produzione di carta vetrata, utilizzata per levigare superfici ruvide.

Nitruro di silicio come ceramica semiconduttrice

Il nitruro di silicio è una ceramica semiconduttrice prodotta sinteticamente. I processi di produzione, molto costosi e che richiedono attrezzature specializzate, sono i seguenti:

   i. Nitrurazione diretta: in questo processo, la polvere di silicio e l'azoto gassoso vengono bruciati a temperature molto elevate per produrre nitruro di silicio.

ii. Nitrificazione: in questo caso, la reazione dei cristalli di polvere di silicio in un processo di legame porta alla produzione di nitruro di silicio.

Allo stesso modo, le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche del nitruro di silicio sono evidenziate nella tabella sottostante:

Tabella 2: Proprietà del nitruro di silicio come ceramica semiconduttrice

Usi del nitruro di silicio nella ceramica semiconduttrice, includono quanto segue:

• Viene utilizzato nella costruzione di turbine;

• Per la produzione di apparecchiature e strumenti utilizzati nelle procedure chirurgiche;

• Di fondamentale importanza nella fabbricazione di impianti dentali e ortopedici;

• Utile per la sintesi di microchip;

• Il nitruro di silicio è leggero e quindi adatto alla fabbricazione di aeromobili, per facilitare movimenti stabili;

• Utilizzato per la formazione di diodi ad emissione di luce ultravioletta.

Nitruro di boro come ceramica semiconduttrice

Il nitruro di boro è una ceramica semiconduttrice non comunemente presente nell'ambiente. È una sostanza rara, utilizzata principalmente nella sua forma sintetica, cioè artificiale. È anche nota come grafite bianca, per la sua stretta somiglianza al granito.

Il costo di produzione del nitruro di boro è elevato e richiede competenze specifiche per utilizzare le attrezzature di produzione. L'elevato costo di produzione di forme sintetiche della sostanza ne rende difficile l'accesso per alcune industrie, nonostante i vantaggi del suo utilizzo in attività produttive che richiedono ceramiche semiconduttrici.

Tabella 3: Proprietà del nitruro di boro come ceramica semiconduttrice

Forme di nitruro di boro come ceramica semiconduttrice: Il nitruro di boro è un tipo particolare di ceramica semiconduttrice, perché si presenta in tre principali forme cristalline, vale a dire

   i. H-BN (nitruro di boro esagonale) – È morbido, lubrificante e ha una bassa conduttività elettrica. Le forme generate da questa forma di nitruro di boro sono solitamente dense.

ii. C-BN, che si ottiene sottoponendo H-BN a temperature molto elevate. I prodotti di C-BN sono molto duri; e

   iii. W-BN, che si forma a temperature inferiori rispetto al C-BN. Il W-BN è molto utile nella produzione di forme dure. Ha anche una densità inferiore rispetto alle altre forme di nitruro di boro.

Utilizzi del nitruro di boro come ceramica semiconduttrice includere quanto segue

• Produzione di dissipatori di calore.

• Costruzione di forni.

• Sintesi di materiali ottici.

• Preparazione di cosmetici; e

• Fabbricazione di materiali da taglio.

Nitruro di alluminio come ceramica semiconduttrice

Descrizione: Il nitruro di alluminio è una ceramica semiconduttrice. È alluminio solido che si presenta sotto forma di nitruro. È una scelta popolare tra le ceramiche semiconduttrici per la sua natura atossica, in quanto può essere utilizzato in sicurezza nelle attività produttive. Il nitruro di alluminio viene prodotto sinteticamente attraverso la combinazione di alluminio e azoto.

Tabella 4: Proprietà del nitruro di alluminio come ceramica semiconduttrice

Utilizzi del nitruro di alluminio come ceramica semiconduttrice:

• Viene utilizzato come dissipatore di calore per applicazioni elettriche ed elettroniche.

• La sostanza viene utilizzata per applicazioni elettriche in situazioni in cui l'elevata temperatura e la dissipazione del calore sono considerate una sfida.

• Viene utilizzato nella produzione di materie plastiche e materiali in resina.

• Viene utilizzato nella produzione di imballaggi per apparecchiature elettriche.

• Il nitruro di alluminio viene utilizzato anche per produrre un materiale sottile noto come filtro RF, utilizzato nei telefoni cellulari come risonatore acustico.

• Viene utilizzato nella fabbricazione dei microfoni.

Carburo di silicio come ceramica semiconduttrice

Il carburo di silicio è una ceramica semiconduttrice, nota anche come carborundum. Si trova in natura in un minerale raro chiamato moissanite. Test effettuati su campioni di carburo di silicio hanno mostrato la presenza di isotopi di silicio e carbonio. Tali elementi si trovano anche nella polvere di stelle, la cui origine è nello spazio.

Altre fonti di carburo di silicio: Il carburo di silicio può anche essere prodotto in serie in forma cristallina e in polvere. Esistono due metodi per produrre carburo di silicio sintetico: il metodo Lely e la deposizione chimica da vapore. Entrambi i metodi richiedono attrezzature specializzate e un elevato livello di competenza.

Proprietà del carburo di silicio come ceramica semiconduttrice

Utilizzi del carburo di silicio come ceramica semiconduttrice:

• Il carburo di silicio viene utilizzato nella produzione di materiali resistenti e duri, come i giubbotti antiproiettile.

•  Viene utilizzato nella fabbricazione di gioielli.

• Formulazione di abrasivi.

• Costruzione di frizioni e freni per automobili.

• Utilizzato nei processi fotocatalitici e nella produzione di transistor a emissione di campo.

• Produzione di macchine e attrezzature per il risparmio energetico.

• Assemblaggio di sistemi alimentati ad energia solare e veicoli elettrici, grazie alla sua capacità di supportare tensioni elettriche elevate.

• È considerato un valido sostituto dei materiali di combustione ad alto tenore di carbonio nei processi produttivi, per salvaguardare l'ambiente.

Conclusione:

Le ceramiche semiconduttrici si distinguono per la loro capacità di resistere alle alte temperature, la loro durezza e la loro buona conduzione elettrica. Queste caratteristiche includono anche la resistenza alla corrosione, all'usura, le caratteristiche di legame ionico, il colore e la forma. Queste caratteristiche distintive determinano anche l'idoneità della loro applicazione.