Silicon carbide là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Silicon carbide (SiC) là hợp chất vô cơ gồm silic và cacbon với công thức SiC, có độ cứng xếp sau kim cương, chịu nhiệt và mài mòn xuất sắc. SiC tồn tại nhiều polytype như 3C, 4H, 6H với bandgap rộng 2,36–3,26 eV và dẫn nhiệt cao, ứng dụng trong thiết bị công suất, gốm chịu lửa và vật liệu mài mòn.

Định nghĩa và tính chất cơ bản

Silicon carbide (SiC) là hợp chất vô cơ gồm silic và cacbon với công thức SiCSiC, tồn tại dưới dạng tinh thể đa hình (polytypes) hoặc vô định hình. SiC được phát hiện lần đầu vào cuối thế kỷ XIX bởi nhà hóa học F. Garbasso và thương mại hóa qua quy trình Acheson, phản ứng nóng chảy SiO2+3CSiC+2COSiO_2 + 3C \rightarrow SiC + 2CO ở ~2.000 °C .

Vật liệu này nổi bật với độ cứng chỉ xếp sau kim cương (9–9,5 Mohs) và khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn xuất sắc. SiC không nóng chảy ở áp suất khí quyển mà phân hủy ở ~2.700 °C, đồng thời có độ dẫn nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp, phù hợp cho ứng dụng môi trường khắc nghiệt.

  • Độ cứng Mohs: 9–9,5
  • Điểm phân hủy: ~2.700 °C
  • Khả năng chịu ăn mòn: ổn định trong môi trường acid/kiềm loãng
  • Ứng dụng cơ bản: gốm chịu nhiệt, vật liệu mài mòn

Cấu trúc tinh thể và polytypes

SiC tồn tại hơn 200 đa hình tinh thể, phổ biến nhất là các polytype 3C (cubic), 4H và 6H (hexagonal). Sự khác biệt giữa các polytype nằm ở cách xếp chồng xen kẽ các lớp nguyên tử Si–C, dẫn đến tính chất điện và nhiệt khác nhau.

Polytype 3C (β-SiC) có hệ tinh thể lập phương, dễ chế tạo dạng bột nhưng tính chất điện kém hơn so với hexagonal. Trong khi đó, 4H-SiC và 6H-SiC (α-SiC) có cấu trúc lục giác, cung cấp bandgap rộng hơn và độ dẫn điện cao hơn, là lựa chọn hàng đầu cho thiết bị công suất cao.

PolytypeHệ tinh thểBandgap (eV)Ứng dụng tiêu biểu
3C-SiCCubic2.36Vật liệu mài mòn, gốm kỹ thuật
4H-SiCHexagonal3.26Thiết bị công suất, MOSFET
6H-SiCHexagonal3.02Diode Schottky, LED UV

Tính chất cơ lý và nhiệt

SiC có mô đun đàn hồi cao (~450 GPa) và độ bền uốn 350–550 MPa, cho phép dùng làm vật liệu chịu tải và chống mài mòn. Độ cứng Vickers đạt ~2.400 kgf/mm², vượt trội so với nhiều loại gốm khác.

Khả năng dẫn nhiệt của SiC dao động 120–270 W/m·K, gấp 3–5 lần thép, giúp tản nhiệt hiệu quả trong các linh kiện công suất. Hệ số giãn nở nhiệt thấp (~4×10⁻⁶ K⁻¹) giảm ứng suất nhiệt và biến dạng cơ khi thay đổi nhiệt độ đột ngột.

Tính chấtGiá trị
Mô đun đàn hồi≈450 GPa
Độ bền uốn350–550 MPa
Độ dẫn nhiệt120–270 W/m·K
Giãn nở nhiệt4×10⁻⁶ K⁻¹

Tính chất điện và quang

SiC là chất bán dẫn wide-bandgap, bandgap từ 2,36 eV (3C) đến 3,26 eV (4H), cho phép hoạt động ở nhiệt độ cao (tới 300 °C) và điện áp ngược trên 1 kV. Độ bền điện môi cao (>2 MV/cm) hỗ trợ thiết kế linh kiện công suất với tổn hao thấp và tốc độ đóng ngắt nhanh.

Vật liệu này cũng được sử dụng làm substrate cho LED xanh và UV nhờ khả năng truyền quang tốt và ổn định với ánh sáng có bước sóng ngắn. Các diode Schottky SiC cho dòng dò ngược thấp và nhanh nhạy, phù hợp cho ứng dụng viễn thông và cảm biến ánh sáng.

  • Bandgap rộng: 2.36–3.26 eV
  • Dielectric constant: ~9.7
  • Breakdown field: >2 MV/cm
  • Ứng dụng: MOSFET công suất, LED UV, diode Schottky

Quy trình tổng hợp và sản xuất

Phương pháp Acheson là quy trình truyền thống để sản xuất SiC quy mô công nghiệp, phát minh bởi E. G. Acheson năm 1891. Hỗn hợp silica (SiO₂) và than cốc được nung ở 1.700–2.500 °C trong lò điện trở, tạo ra lớp α-SiC bao quanh cực graphite và sinh ra CO :contentReference[oaicite:0]{index=0}.

Các phản ứng chính trong lò Acheson:

  • C+SiO2SiO+COC + SiO_2 \rightarrow SiO + CO
  • SiO2+COSiO+CO2SiO_2 + CO \rightarrow SiO + CO_2
  • SiO+2CSiC+COSiO + 2C \rightarrow SiC + CO

Công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) cho phép sản xuất SiC tinh khiết cao dưới dạng phim mỏng và tấm đơn tinh thể. Các tiền chất silane (SiH₄) và hydrocarbon (C₃H₈) phản ứng ở 1.000–1.500 °C, kiểm soát độ dày và doping chính xác :contentReference[oaicite:1]{index=1}.

Ứng dụng công nghiệp

SiC là vật liệu mài mòn hàng đầu, dùng trong giấy nhám, đá mài và bánh xe mài nhờ độ cứng cao và độ bền mài mòn xuất sắc :contentReference[oaicite:2]{index=2}. Trong công nghiệp chịu lửa, SiC chịu nhiệt tới 1.600 °C, dùng làm gạch chịu lửa, lớp lót lò nung và đầu đốt.

Trong điện tử công suất, SiC MOSFET và diode Schottky cho phép chuyển đổi điện áp cao (trên 1 kV) với tổn hao thấp và tần số chuyển mạch nhanh, ứng dụng trong thiết bị EV, biến tần năng lượng mặt trời và máy biến áp :contentReference[oaicite:3]{index=3}.

Linh kiện LED UV và thấu kính cửa sổ tản nhiệt cũng sử dụng SiC như substrate do tính bền bỉ với ánh sáng tử ngoại và dẫn nhiệt tốt :contentReference[oaicite:4]{index=4}.

Phản ứng hóa học và độ bền

SiC thể hiện khả năng chống ăn mòn cao trong môi trường acid và kiềm loãng, nhờ lớp oxide SiO₂ tự bảo vệ ở bề mặt :contentReference[oaicite:5]{index=5}. Tuy nhiên, ở môi trường HF hoặc muối fluorua, SiO₂ bị hòa tan, đòi hỏi xử lý bề mặt đặc biệt trước khi gia công.

Trong Acheson process, khí trung gian chủ yếu là SiO và CO, điều chỉnh áp suất và thành phần khí giúp tối ưu hóa tốc độ tạo SiC và giảm tạp chất :contentReference[oaicite:6]{index=6}.

Chế tạo và chế phẩm

Tấm SiC đơn tinh thể (4H, 6H) sản xuất qua phương pháp CVD epitaxy, kiểm soát độ dày 5–100 µm và doping N hoặc Al, dùng làm substrate cho thiết bị công suất. Độ tinh khiết ≥ 99,9% và khuyết tật mạng Crystal Defect Density ≤ 10³ cm⁻².

SiC nano (n-SiC) và whiskers được chế tạo để gia cố composite polymer và gốm. Thêm 5–10 wt% n-SiC vào nhựa epoxy tăng độ bền cơ học 30% và dẫn nhiệt gấp đôi, phục vụ cho linh kiện tản nhiệt :contentReference[oaicite:7]{index=7}.

Nghiên cứu và xu hướng tương lai

SiC đang dẫn đầu trong linh kiện công suất cho ô tô điện và năng lượng tái tạo, với MOSFET hỗ trợ hệ số công suất cao và hiệu suất chuyển đổi trên 98% :contentReference[oaicite:8]{index=8}. Nhóm nghiên cứu vật liệu lượng tử đang khảo sát khuyết tật chân không carbon (VC) trong 4H-SiC cho ứng dụng cảm biến từ tính và qubit :contentReference[oaicite:9]{index=9}.

Quá trình tăng cường bền vững: phát triển quy trình thay thế Acheson bằng phương pháp điện hóa hoặc plasma, giảm phát thải SOx, NOx và CO ₂. Nghiên cứu AIChE đề xuất quy trình carbon trung tính và tái sử dụng khí thải trong lò Acheson để giảm ảnh hưởng môi trường :contentReference[oaicite:10]{index=10}.

Tài liệu tham khảo

  1. Encyclopædia Britannica. “Silicon Carbide.” https://www.britannica.com/science/silicon-carbide
  2. ScienceDirect. “Silicon Carbide – an overview.” https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/silicon-carbide :contentReference[oaicite:12]{index=12}
  3. ScienceDirect. “Silicon carbide is the only carbide finding major applications as a ceramic material.” https://www.sciencedirect.com/topics/nursing-and-health-professions/silicon-carbide :contentReference[oaicite:13]{index=13}
  4. Wikipedia. “Acheson process.” https://en.wikipedia.org/wiki/Acheson_process :contentReference[oaicite:14]{index=14}
  5. PreciseCeramic. “Methods to Produce Silicon Carbide and Their Advantages.” https://www.preciseceramic.com/blog/methods-to-produce-silicon-carbide-and-their-advantages.html :contentReference[oaicite:15]{index=15}
  6. NCBI PMC. “Gas transport mechanisms and the behaviour of impurities in the Acheson process.” https://www.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6479161/ :contentReference[oaicite:16]{index=16}
  7. AIChE. “A Novel, Low-Cost Sustainable Process to Produce Silicon Carbide.” https://www.aiche.org/resources/publications/cep/2022/october/catalyzing-commercialization-novel-low-cost-sustainable-process-produce-silicon-carbide :contentReference[oaicite:17]{index=17}
  8. Bohrium. “Density functional theory calculation of the properties of carbon vacancy defects in silicon carbide.” https://www.bohrium.com/paper-details/density-functional-theory-calculation-of-the-properties-of-carbon-vacancy-defects-in-silicon-carbide/812531857198415872-60220 :contentReference[oaicite:18]{index=18}

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề silicon carbide:

Hạn chế và Độ đồng nhất Điện tử trong Graphene Epitaxial Có Mẫu Dịch bởi AI
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 312 Số 5777 - Trang 1191-1196 - 2006
Graphene epitaxial mỏng siêu mịn đã được phát triển trên silicon carbide đơn tinh thể bằng cách graphit hóa chân không. Vật liệu này có thể được tạo hình bằng các phương pháp nanolithography tiêu chuẩn. Các đặc tính vận chuyển, có mối liên hệ chặt chẽ với các loại ống nanot carbon, chủ yếu được xác định bởi lớp graphene epitaxial đơn lẻ tại giao diện silicon carbide và cho thấy tính chất D...... hiện toàn bộ
#Graphene epitaxial mỏng #silicon carbide #graphit hóa chân không #vận chuyển điện tử #hạn chế lượng tử #độ đồng nhất pha
Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide
Nature Materials - Tập 8 Số 3 - Trang 203-207 - 2009
Status of silicon carbide (SiC) as a wide-bandgap semiconductor for high-temperature applications: A review
Solid-State Electronics - Tập 39 Số 10 - Trang 1409-1422 - 1996
Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals
Journal of Crystal Growth - Tập 43 Số 2 - Trang 209-212 - 1978
Formation of Silicon Carbide Nanotubes and Nanowires via Reaction of Silicon (from Disproportionation of Silicon Monoxide) with Carbon Nanotubes
Journal of the American Chemical Society - Tập 124 Số 48 - Trang 14464-14471 - 2002
Coaxial Nanocable: Silicon Carbide and Silicon Oxide Sheathed with Boron Nitride and Carbon
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 281 Số 5379 - Trang 973-975 - 1998
Multielement nanotubes comprising multiple phases, with diameters of a few tens of nanometers and lengths up to 50 micrometers, were successfully synthesized by means of reactive laser ablation. The experimentally determined structure consists of a β-phase silicon carbide core, an amorphous silicon oxide intermediate layer, and graphitic outer shells made of boron nitride and carbon layers...... hiện toàn bộ
Silicon carbide-free graphene growth on silicon for lithium-ion battery with high volumetric energy density
Nature Communications - Tập 6 Số 1
AbstractSilicon is receiving discernable attention as an active material for next generation lithium-ion battery anodes because of its unparalleled gravimetric capacity. However, the large volume change of silicon over charge–discharge cycles weakens its competitiveness in the volumetric energy density and cycle life. Here we report direct graphene growth over sili...... hiện toàn bộ
In Situ‐Toughened Silicon Carbide
Journal of the American Ceramic Society - Tập 77 Số 2 - Trang 519-523 - 1994
A new processing strategy based on atmospheric pressure sintering is presented for obtaining dense SiC‐based materials with microstructures consisting of (i) uniformly distributed elongate‐shaped α‐SiC grains and (ii) relatively high amounts (20 vol%) of second‐phase yttrium aluminum garnet (YAG). This strategy entails the sintering of β‐SiC powder doped with α‐SiC, Al... hiện toàn bộ
Silicon carbide MEMS for harsh environments
Proceedings of the IEEE - Tập 86 Số 8 - Trang 1594-1609 - 1998
Tổng số: 3,871   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10