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

Định nghĩa và tính chất cơ bản

Silicon carbide (SiC) là hợp chất vô cơ gồm silic và cacbon với công thức $SiC$, 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 $SiO_2 + 3C \rightarrow SiC + 2CO$ 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.

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 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:

• $C + SiO_2 \rightarrow SiO + CO$
• $SiO_2 + CO \rightarrow SiO + CO_2$
• $SiO + 2C \rightarrow SiC + CO$

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}