高冷范陶瓷-碳化硅

發布時間 | 2019-10-31 16:29 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 2986

磨料石英石墨干燥金剛石碳化硅石墨烯氧化鋁

導讀：

今天小編不跟大家討論高端大氣上檔次的寶石系列了,聊一個低調奢華有內涵的陶瓷材料。

大家常見的這個東西黑不溜秋,咋看咋不順眼,這與其基因是有關的。碳化硅化學式為SiC,可以認為是C與Si的愛情結晶。恰好將Si與C的特性完美的結合了。外表雖然不咋地,但是絕對潛力股,妥妥的第三代寬帶半導體扛把子。在未來的高功率器件中都要有一席之地。

不要小瞧這堆黑不溜秋的東東,其貌不揚,但其質逆天。

小編覺得有必要跟大家講一下SiC的“父母”。

大家知道C可以形成硬度最高材料—鉆石,啥樣子咱們之前文章都給看過了,本來可以靠實力吃飯的材料最后卻以光彩奪目的顏值被世人熟知,大家應該還聽過石墨烯,魔角這些鬼東西,這些都是C的變形。只不過石墨烯日常沒有鉆石那么容易看到。

Si,這個東西大家一定很熟悉了,我們常常聽到wafer就是這個元素的單晶,這個材料可以毫不吹牛的說，它就是現在微電子的基石頭,沒有這個材料,那人類的科技應該還停留在晶體管時代。

C與Si都是第四主族元素，有些會搞事情的科學家就嘗試將這2個材料“結合”一下，就產生了今天我們要講的SiC。它繼承了Si的“黑膚色”,本可以低調的,可它繼承偏繼承了C的某些優秀性能,實力它不允許啊。

來感受下什么叫天生主角光環？感受一下，后面給大家簡單說明。

材料種類	帶隙 E_G/eV	熱導率λ/[W/(cm·K)]	擊穿電場強度E_B/(MV/cm)	遷移率μ/(cm²/Vs)	飽和速率V (×10⁷cm/s)	介電常數ε
金剛石	5.5	22	10	3 800(空穴）4 500（電子）	1.5~2.7(電子） 0.85~1.2(空穴）	5.7
SiC	3.27	4.9	3.0	1 000（電子）	2.0（電子）	9.7
GaN	3.4	1.5	2.5	2 000（電子）	2.5	8.9
Si	1.12	1.5	0.3	1 400（電子）	1.0	11.8

之前咱們講氧化鋁熱導率好,但它在SiC面前就是渣渣。SiC也繼承了金剛石的硬度特性,輕松秒殺一種材料。就因為這個原因,它在一些高溫、摩擦等惡劣環境下比氧化鋁更耐操。

這里插播一條廣告。

就中國近幾年竟然可以商用衛星拍攝美國航母艦隊，可以做戰場動態分析,很大一部分原因都是因為SiC這個材料的應用,那為啥偵測相機需要用SiC了？

上圖是目前國際衛星使用的一些反射鏡材料;外太空因為不存在熱對流,因此同一個物體受陽面跟背陽面的溫度差會非常的大。那么這么大的溫差如果熱導率不好的話會在材料表面形成大的溫度梯度,進而產生熱應力威脅到鏡面的機械強度。同時衛星繞地球轉動就相當于給鏡子加熱,降溫這個過程,那么為了適應這種溫度的變化,必須要使用一種熱膨脹系數小的材料以保證光學系統的穩定性。綜合上面的主要因素,最終SiC是一個不錯的選擇。這里也為中國的航天人員打call。就這個玩意，目前國際上是對中國禁運的。

SiC既然Si的嫡親,那么不得不說它在半導體種的應用。我們現在用的硅基半導可以稱之為“低功率邏輯計算半導體”，意思是啥？就是這個半導體三極管它只能走比較小的電流,那這個電流只能當作一種信號的傳遞,是無法驅動一些機構運動或者過載大電流的.所以你看我們的電機控制，需要一個電路板將這種小信號逐步放大來驅動電機.隨著技術的進步,科學家開始思考使用給更大是電流來直接驅動一些機械結（晶體管走大電流），于是就有了第三代半導體材料的發現。目前第三代半導是極力被看好的一個是GaN，另一個是SiC.到底用在哪里？

大家可以去查一個名詞 IGBT（nsulated Gate Bipolar Transistor）

下面是SiC與傳統Si的半導體特性對比.明顯能看到，幾乎是壓倒性優勢

還是言歸正傳，咱們聊聊SiC是怎么弄出來的.

目前最簡單粗暴的就將石英與炭粉混合后高溫煅燒，往簡單講就是一個還原反應. SiO₂+CàSiCO+SiC，一般在爐子里面得到的都是復雜的產物。靠近爐芯的地方反應最充分，得到是一級SiC,其中SiC含量>96%,稍微遠一點的，得到的是二級SiC,SiC含量>90%，再遠一點區域，就是無定形區,SiC含量>80%，再遠一點,稱之為粘合層，SiC含量>30%,再遠一點基本上就是SiCO,SiCk含量更多.靠近爐子邊緣基本就是原料不怎么會有SiC產生。

顯然每一層區域的厚度是與爐子的溫度分布息息相關的。如何控制溫度是1，2級的區域厚度更厚,這是一個有趣的地方。經過磨碎，化學處理,干燥分篩，磁選制程，就變成我們日常看到各種SiC 粉料了。我們平常用的綠硅與黑硅主要是從1級區取出來的。