Silizio karburo

Silizio karburoa (SiC) silizioa eta karbonoa dituen konposatu kimiko gogor bat da. Hustutako eskualde zabala duen erdieroalea da, naturan aurkitzen dena, oso arraroa den moissanita minerala bezala. 1893 urtetik aurrera masiboki ekoiztu da hauts eta kristal gisa, urratzaile gisa erabiltzeko. Silizio karburoaren aleak elkarri lotuta egon daitezke sinterizazioz, erresistentzia handia eskatzen duten aplikazioetan oso erabiliak diren zeramika gogorrak eratzeko, hala nola automobilen balaztak, autoen enbrageak eta balen aurkako txalekoetan erabiltzen diren zeramikazko plakak. Siliziozko karezko kristal handiak Lely metodoaren bidez haz daitezke eta moissanita sintetiko deritzen harribitxietan moztu.

Silizio karburoaren aplikazio elektronikoen lehen probak 1907 urtean egin ziren gutxi gorabehera; adibidez, LED argiak.  SiC konposatuaren erabilera-eremuak oro har dira tenperatura handiak, tentsio handiak edo bi egoeraren mendean jarduten duten gailu elektronikoak.

 Jatorri naturalak 
Jatorri naturaleko moissanita oso kantitate txikietan aurkitzen da: meteorito mota jakin batzuetan, korindoi metaketetan eta kinberlitetan. Munduan saltzen den silizio karburo ia guztia, moissanita-bitxiak barne, sintetikoa da.

Moissanita naturala Ferdinand Henri Moissanek aurkitu zuen lehen aldiz 1893an, Arizonako Canyon Diablo meteoritoaren osagai txiki gisa, eta haren omenez jarri zioten izena materialari, 1905ean. Hasiera batean, zalantzan jarri zen benetako berrikuntza izan ote zen Moissanek jatorri naturaleko SiC aurkitu izana, pentsatu baitzen beraren lagina kutsatu egingo zutela garai hartan jada merkatuan zeuden silizio karburoz egindako zerrek.

Lurrean oso arraroa den arren, silizio karburoa oso ohikoa da espazioan. Karbonoan aberatsak diren izarren inguruan aurkitzen den izar-hautsaren forma arrunta da, eta izar-hauts horren adibideak jatorrizko egoeran aurkitu dira meteorito primitiboetan. Espazioan eta meteoritoetan aurkitzen den silizio karburoa ia soilik beta-polimorfoa da. Murchison meteoritoan,  aurkitutako SiC aleen analisiak karbonoaren eta silizioaren erlazio isotopiko anomaloak azaleratu ditu. Ale horiek Eguzki Sistematik kanpo sortu zirela adierazten du horrek.

 Ekoizpena 
Moissanita naturala oso urria denez, silizio karburo gehienak sintetikoak dira. Silizio karburoa oro har urratzaile gisa erabiltzen da; hortaz, diamante-simulagailu gisa. Horrez gain,  erdieroale bezala ere erabiltzen da. Silizio karburoa fabrikatzeko prozesurik errazena da silizezko harea eta karbonoa Acheson grafitozko erresistentzia elektrikoko labe batean nahastea, tenperatura altuan; 1.600 °C eta 2.500 °C artean hain zuzen ere. Badaude bestelako fabrikazio prozesu: alde batetik, landare-jatorriko materialen SiO2 partikula finak (arroz-oskolak, adibidez) SiC bihur daitezke, material organikoaren karbonoa gehiegi berotuz. Beste aldetik, silize-kearekin, metal silizikoa eta ferrosilizio-aleazioak sortzerakoan eratzen den azpiproduktua, SiC ere bihur daiteke, 1.500 °C-ko grafitoarekin berotuz.
Acheson labean sortzen den materialaren purutasuna aldatu egiten da, grafitozko erresistentziaren bero iturriarekin duen distantziaren arabera. Kolorerik gabeko, hori argiko eta berde koloreko kristalek purutasun handiena dute eta erresistentziatik hurbil eratzen dira. Kolorea aldatzen da urdinera eta beltzera erresistentziatik distantzia handiagoan, eta kristal hauek ez dira hain puruak. Nitrogenoa eta aluminioa dira ezpurutasun arruntenak, eta SiC-aren eroankortasun elektrikoari eragiten diote.
Silizio karburo purua lortzeko, Lely prozesuaren bidez egin daiteke. Prozesu horretan, SiC hautsa sublimatzen da tenperatura altuko silizio, karbono, silizio dikarburo (SiC2) eta disilizio karburo (Si2C) espezieetan, argon gasezko giro batean, 2.500 ºC-etan; xafla-itxurako kristal bakunetan jalkitzen da, eta 2 × 2 cm-rainoko tamaina hartzen dute. Prozesu honen bitartez kalitate handiko kristal bakunak lortzen dira, gehienak 6H-SiC fasekoak (hazkunde tenperatura altuagatik).
Forma konplexuko SiC-a osatzeko, zeramika aurreko polimeroak erabil daitezke aitzindari gisa; horiek pirolisiaren bidez SiC-a eratzen dute, 1.000 eta 1.100 °C bitarteko tenperaturatan. Material aitzindariak silizio karburoa lortzeko, polikarbosilanak, polisilanak (metilsilanak) eta polisilazanoak dira. Silizio karburoak zeramika aurreko polimeroaren pirolisiaren bidez lortzen diren materialak polimero-eratorriko zeramikak edo PDCak bezala ezagutzen dira. Zeramika aurreko polimeroen pirolisia atmosfera geldo batean egiten da tenperatura nahiko baxuetan.

SiC-ren xaflak sortu daitezke kristal bakunak moztuz, diamantezko alanbre-zerra bat edo laser bat erabiliz.

 Erabilerak 

 Mozketarako lanabes urratzaileak 
Fabrikazioan, bere gogortasuna dela eta, urratze bidezko mekanizazio prozesuetan erabiltzen da; hala nola artezketan, txartaketan, ur-txorrotada bidezko ebaketan eta granailaketan. SiC aukera askoz zorrotzagoa eta gogorragoa da granailaketarako, aluminio oxidoarekin alderatuta. Silizio karburozko partikulak ere ijezten dira, lizpaperak eta skateboard-en euste-zinta sortzeko.

Arte lanetan, silizio karburoa gaur eguneko harribitxi-lantzaileen artean urratzaile ezaguna da, materialaren kostua txikia delako eta iraunkortasun handia duelako.

1982an, aluminio oxidozko eta silizio karburozko oso indartsua den konposatuko bizarra aurkitu zen. Hiru urte besterik ez ziren behar izan konposatu esperimental hura produktu komertzial bihurtzeko. 1985ean, alumina eta silizio karburo horrekin egindako lehen lanabes komertzialak sartu ziren merkatuan.

 Automobilgintzarako piezak 
Silizio infiltratua duen karbono-karbono konposatua errendimendu handiko disko-balaztetan erabiltzen da, muturreko tenperaturak jasan baititzakete. Silizioak grafitoarekin erreakzionatzen du karbono-karbono konposatuan, karbono-zuntza indartutako silizio karburo bihurtzeko (C/SiC). Disko-balazta horiek erabiltzen dira zenbait kirol-autotan, prestakuntza handiko autotan, baita errendimendu-autoetan ere. Silizio karburoa sinterizatzean diesel-partikulentzako iragazki bezala ere erabil daiteke.

 Sistema elektrikoak 
SiC-ren aplikazio elektriko goiztiarrena tximistorratzetan erabilitako gaintentsio-babes gisa izan zen potentzia elektrikoko sistemetan. Gailu horiek erresistentzia handia izan behar dute, linea elektrikoa zeharkatzen duen tentsioa VT atalase tentsiora iritsi arte; tentsio horretan, euren erresistentzia maila jaisten da eta egoera horri eutsi behar dio tentsio eraginkorra VT-tik behera jaisten den arte.

SiC tentsioarekiko erresistentzia-aldakorra zela onartu zen; hori dela eta, SiC-ko pikor zutabeak konektatzen ziren goi-tentsioko linea elektrikoen eta lurraren artean. Tximista batek linea bat jotzen zuenean eta haren tentsioa nabarmen igotzen zuenean, SiC zutabeak eroankortasun egoerara  igaroko ziren, eta horrek aukera emango zuen korronte-kolpea lurrera arriskurik gabe pasatzeko, linea elektrikotik igaro beharrean. SiC-ko zutabeek korronte elektrikoa eroaten zuten linea elektrikoen ohiko tentsioarekin; eta, beraz, seriean jarritako txinparta hutsuneak gehitu zituzten. Tximistak linea elektrikoaren eroalearen tentsioa igotzen duenean, txinparta hutsunean dagoen airea ionizatzen da eta eroale bihurtzen da; horrela, SiC zutabea linearen kablea lurrarekin konektatzen du. Tximistorratzetan erabiltzen diren txinparta hutsuneak ez dira fidagarriak; behar denean arku bat eratzen ez zuelako edo gero itzaltzen ez zelako; azken kasu horretan, akats materialagatik, hauts edo gatzaren kutsaduragatik gertatzen zen. SiC-ko zutabeak erabiltzeak tximistorratzen txinparata hutsunearen beharra ezabatzea zuen helburu. Argiztatze babeserako, hutsunea zuten SiC txinparta-babesleak erabiltzen ziren. SiC-zko txinparta-babesleen zati handi bat zulorik gabeko baristoreengatik ordezkatu zituzten; baristore horiek, zink oxidozko pikorrezko zutabeez eginda zeuden.

 Zirkuitu elektronikoen osagaiak 
Silizio karburoa lehen material erdieroale garrantzitsu komertziala izan zen. 1906an, Henry Harrison Chase Dunwoody galenazko irratiaren detektagailu diodoa patentatu zuen.

 Potentziazko elektronikaren gailuak 
1993an, silizio karburoa erdieroaletzat hartu zen, bai ikerketan, bai kateko ekoizpenean; eta abantailak ematen zizkien tenperatura altuko eta/edo goi-tentsioko gailu azkarrei. Eskuragarri zeuden lehen gailuak Schottky diodoak izan ziren; ondoren, JFETak eta potentzia handiko kommutaziorako MOSFETak.
SiC-ren komertzializaziorako arazorik handienetariko bat akatsen ezabatzea izan da: ertz-deslokalizazioak, torloju-deslokalizazioak, akats-triangeluarrak eta oinarriaren plano-deslokalizazioak. Horren ondorioz, SiC-ko kristalez egindako gailuek alderantzizko blokeo-errendimendu eskasa izan zuten hasiera batean, nahiz eta errendimendu matxura hobetzeko, ikertzaileak behin eta berriz soluzioak bilatzen aritu. Kristalaren kalitateaz gain, SiC eta silize oxidozko gailuen bateragarritasunen arazoen ondorioz, SiC-zko MOSFETen eta IGBTen garapena oztopatu zen.

2008an, 1.200 V-ko lehen JFET komertzialak sartu ziren merkatuan. 2011n, 1.200 V-eko lehen MOSFET komertzialak; gaur egun JFETak, 650 V eta 1.700 V arteko tentsiorako egiten dira, eta 25 mΩ-eko erresistentzia minimoa dute. SiC etengailuen eta SiC Schottky diodoak (SBD) komertzializatu baino lehenago, enpresak hasi ziren beren potentzia elektronikako moduluak ekoizten, TO-247 eta TO-220 pakete ezagunetan.

SBD diodoek merkatu zabala aurkitu zuten oso erabiliak diren potentzia-faktore zuzenketarako zirkuituetan (PFC circuit)  eta IGBT potentzia moduluetan. Konferentziek, hala nola Nazioarteko Integratutako Potentzia Elektronikaren Sistemen Konferentziak (CIPS), SiC potentziako gailuen aurrerapen teknologikoari buruzko berriak ematen ditu aldiro. Hauek dira SiC-ko gailuek dituzten abantailak silizezko gailu elektronikoekin alderatuz:

 Ate kitzikapena: SiC gailuek, askotan, euren siliziozko kideak ez bezala, kitzikapen tentsio maila desberdinak behar dituzte, eta asimetrikoak izan daitezke; adibidez, +20V eta -5V.
 Bilgarria: SiC-ko txipek siliziozko gailuek baino potentzia-dentsitate handiagoa izan dezakete eta 150 °C-ko siliziozko osagaien muga gainditzen duten tenperatura handiagoak jasateko gai izan daitezke.
Teslaren 3. modeloan, potentziako zirkuituaren inbertsoreek silizio karburozko (SiC) 24 pare MOSFET erabiltzen dituzte; bakoitza 650 voltekoa. Kasu honetan, silizio karburoak abantaila handia ematen zion Teslari, tamainari eta pisuari dagokienez silizioz egindako txipen aldean. Hori dela eta, beste hainbat automobil-ekoizle beraien produktuentzako silizio karburoz egindako potentzia elektronikako gailuak ekoizteko plangintza egiten ari dira. Hortaz, SiC-zko osagaien ekoizpenaren hazkuntza handia ekarriko du horrek.

 LEDak 
Elektrolumineszentziaren fenomenoa 1907an aurkitu zen silizio karburoa erabiliz; eta hortaz, lehen LED komertzial batzuk material horrekin egin ziren. General Electric of America-k (GE) 1967ko martxoan bere SSL-1 egoera solidoko lanpara aurkeztu zuen. SiC-z egindako txip ñimiño bat erabili zuten eta argi hori puntu bat igortzeko ahalmena zuen; orduan munduko LED distiratsuena izan zen. 1970ean LED gorri distiratsuagoek ordezkatu zuten GEko LEDak; baina, 3C-SiC-tik egindako LED horiak Sobietar Batasunean fabrikatzen jarraitu zuten 1970eko hamarkadan eta 3C-SiC-z egindako LED urdinek (1980ko hamarkadan).

SiC-zko LEDen ekoizpena berehala gelditu zen 10 edo 100 aldiz intentsitate handiagoko argia igortzen zuen galio nitrurozko LEDa merkaturatu zenean. Eraginkortasun-diferentzia hori SiC-ren zeharkako banda desegokiaren ondorioa da. GaN-ek, berriz, argi-emisioaren aldeko banda zuzena du. Hala ere, SiC-zko LEDa osagai garrantzitsuenetako bat da oraindik: GaN gailuak hazteko substratu ezaguna da, eta potentzia handiko LEDetan beroa hedatzeko ere balio du.

 Erreferentziak 

 Kanpo estekak 

Kategoria:Material zeramikoak
Kategoria:Harribitxiak
Kategoria:Material erdieroaleak