بنية وخواص مادة كربيد السيليكون المتلبد تحت الضغط الجوي

تُعدّ مواد الكربون والنيتروجين والبورون الحديثة، بالإضافة إلى مواد خام حرارية عالية التقنية أخرى غير أكسيدية، من المواد الأساسية في صناعة كربيد السيليكون المُلبّد بالضغط الجوي، وهي مواد واسعة الانتشار واقتصادية، ويمكن اعتبارها بديلاً عن ورق الصنفرة أو الرمل الحراري. كربيد السيليكون النقي عبارة عن بلورات شفافة عديمة اللون. فما هي بنية وخصائص مادة كربيد السيليكون؟

كربيد السيليكون المتلبد تحت الضغط الجوي

التركيب المادي لكربيد السيليكون المتلبد تحت الضغط الجوي:

يُستخدم كربيد السيليكون المُلبّد بالضغط الجوي في الصناعة بألوانٍ تتراوح بين الأصفر الفاتح والأخضر والأزرق والأسود، وذلك تبعًا لنوع الشوائب ومحتواها، كما تختلف درجة نقائه وشفافيته. يُصنّف التركيب البلوري لكربيد السيليكون إلى نوعين: سداسي أو ماسي الشكل (بلوتونيوم) ومكعب (بلوتونيوم-كربيد). يُظهر البلوتونيوم-كربيد تشوهاتٍ متنوعة نتيجةً لاختلاف ترتيب ذرات الكربون والسيليكون في بنيته البلورية، وقد تم اكتشاف أكثر من 70 نوعًا من هذه التشوهات. يتحول كربيد السيليكون بيتا (β-SIC) إلى ألفا (α-SIC) عند درجة حرارة أعلى من 2100. تُكرّر عملية إنتاج كربيد السيليكون صناعيًا باستخدام رمل الكوارتز عالي الجودة وفحم الكوك البترولي في فرن مقاوم. تُسحق كتل كربيد السيليكون المُكرّرة، وتُنظّف باستخدام الأحماض والقواعد، وتُفصل مغناطيسيًا، وتُغربل، أو تُختار بالماء لإنتاج منتجات بأحجام جسيمات متنوعة.

الخصائص المادية لكربيد السيليكون المتلبد تحت الضغط الجوي:

يتميز كربيد السيليكون بثبات كيميائي جيد، وموصلية حرارية عالية، ومعامل تمدد حراري مرتفع، ومقاومة عالية للتآكل، لذا فإنه يُستخدم في العديد من التطبيقات إلى جانب استخدامه كمادة كاشطة. على سبيل المثال، يُطلى مسحوق كربيد السيليكون على الجدار الداخلي لدافعة التوربين أو كتلة الأسطوانة بعملية خاصة، مما يُحسّن مقاومة التآكل ويُطيل عمرها من مرة إلى مرتين. كما أنه مصنوع من مواد حرارية عالية الجودة، مقاومة للحرارة، صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، وذات قوة عالية، مما يجعله يتمتع بكفاءة طاقة ممتازة. أما كربيد السيليكون منخفض الجودة (الذي يحتوي على حوالي 85% من SiC) فهو مُزيل أكسدة ممتاز لزيادة سرعة صناعة الصلب، كما يُسهّل التحكم في التركيب الكيميائي لتحسين جودة الصلب. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم كربيد السيليكون المُلبّد تحت الضغط الجوي على نطاق واسع في تصنيع الأجزاء الكهربائية المصنوعة من قضبان كربون السيليكون.

كربيد السيليكون مادة شديدة الصلابة، حيث تبلغ صلابته 9.5 على مقياس مورس، ليحتل المرتبة الثانية بعد الماس (10)، وهو شبه موصل ذو موصلية حرارية ممتازة، ويقاوم الأكسدة في درجات الحرارة العالية. يحتوي كربيد السيليكون على ما لا يقل عن 70 نوعًا بلوريًا. يُعد كربيد السيليكون البلوتونيوم أحد المتصاوغات الشائعة التي تتشكل عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية، وله بنية بلورية سداسية (شبيهة ببنية وورتزيت). يتم تلبيد كربيد السيليكون تحت الضغط الجوي.

استخدام كربيد السيليكون في صناعة أشباه الموصلات

تشمل سلسلة صناعة أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون بشكل أساسي مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء، والركيزة أحادية البلورة، والصفائح المترسبة، ومكونات الطاقة، وتغليف الوحدات، وتطبيقات المحطات الطرفية.

1. ركيزة أحادية البلورة: تُعد الركيزة أحادية البلورة مادة داعمة لأشباه الموصلات، ومادة موصلة، وركيزة للنمو الطبقي. تشمل طرق نمو بلورات كربيد السيليكون الأحادية حاليًا طريقة النقل الفيزيائي للبخار (PVT)، وطريقة الطور السائل (LPE)، وطريقة الترسيب الكيميائي للبخار عند درجة حرارة عالية (HTCVD). كربيد السيليكون المتلبد تحت الضغط الجوي

٢. طبقة الترسيب فوق الركيزة: طبقة الترسيب فوق الركيزة من كربيد السيليكون، أو طبقة أحادية البلورة (طبقة الترسيب فوق الركيزة) ذات اتجاه بلوري مطابق للركيزة، والتي تتطلب ركيزة من كربيد السيليكون. في التطبيقات العملية، تُصنع معظم أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة في طبقة الترسيب فوق الركيزة، وتُستخدم رقاقة السيليكون نفسها كركيزة فقط، بما في ذلك ركيزة طبقة الترسيب فوق الركيزة من نيتريد الغاليوم.

3. مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء: مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء هو المادة الخام لنمو بلورة كربيد السيليكون الأحادية بطريقة PVT، وتؤثر نقاوة المنتج بشكل مباشر على جودة النمو والخصائص الكهربائية لبلورة كربيد السيليكون الأحادية.

4. جهاز الطاقة عبارة عن وحدة طاقة واسعة النطاق مصنوعة من مادة كربيد السيليكون، وتتميز بقدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية والترددات العالية والكفاءة العالية. وبحسب طريقة تشغيل الجهاز، يتكون جهاز تزويد الطاقة المصنوع من كربيد السيليكون بشكل أساسي من ثنائي طاقة وأنبوب مفتاح طاقة.

5. في تطبيقات أشباه الموصلات من الجيل الثالث، تتميز أشباه موصلات كربيد السيليكون بميزة التكامل مع أشباه موصلات نتريد الغاليوم. ونظرًا لكفاءة التحويل العالية، وانخفاض التسخين، وخفة الوزن، وغيرها من مزايا أجهزة كربيد السيليكون، فإن الطلب عليها في الصناعات التحويلية في ازدياد مستمر، وهناك توجه نحو استبدال أجهزة ثاني أكسيد السيليكون بها.