Gần đây, sự kiện ra mắt mẫu xe mới của một thương hiệu nhất định đã thu hút sự chú ý rộng rãi, với điểm nhấn kỹ thuật là các mô-đun điều khiển điện tử SiC một lần nữa trở thành chủ đề bàn luận. Vật liệu cốt lõi trong phần này là SiC, và bài viết này sẽ phân tích chi tiết về cấu trúc của SiC.
SiC là một hợp chất gồm hai nguyên tố, tương tự như muối ăn thông thường (NaCl) và nước uống (H₂O), cả hai đều là các hợp chất.
Phương pháp tổng hợp SiC nhân tạo đầu tiên ra đời cách đây 140 năm, khi nhà hóa học người Mỹ Acheson đã tổng hợp được SiC bằng cách nung than cốc và silica trong lò.
Than cốc là thứ ai cũng quen thuộc, thường được dùng làm que xiên để nướng thịt, trong khi silica là cát được đào lên từ các mỏ cát. Bằng cách xử lý cát giống như thịt xiên và nung ở nhiệt độ cao cùng với than cốc cho đến khi cả cát và than cốc đều tan chảy, sau đó làm nguội để đông đặc lại, các tinh thể SiC sẽ được hình thành.
SiC là một hợp chất nhị nguyên được tạo thành từ các nguyên tố Si và C theo tỷ lệ 1:1. Cả Si và C đều thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn, với bốn electron ở lớp vỏ ngoài.
Do sự khác biệt về đường kính giữa hai nguyên tử này, nguyên tử Si có đường kính lớn hơn, trong khi nguyên tử C có đường kính nhỏ hơn, giống như táo và cam. Khi xếp chồng một số lượng bằng nhau của cam và táo lên nhau, chúng sẽ tạo thành tinh thể SiC, với sự kết hợp của hai nguyên tử này theo cấu trúc tứ diện.
Tứ diện là gì?
Nó có hình dạng của một kim tự tháp, giống như hình dưới đây.
Khi kết hợp SiC ở cấp độ đơn vị nhỏ nhất, nó có thể được xem như một tứ diện được tạo thành từ C và Si, trong đó một nguyên tử Si được bao quanh bởi bốn nguyên tử C, hoặc ngược lại, một nguyên tử C được bao quanh bởi bốn nguyên tử Si.
Cấu trúc tinh thể của SiC cũng có thể được mô tả bằng phương pháp cấu trúc lớp, như được thể hiện trong sơ đồ. Một số nguyên tử C trong tinh thể chiếm các vị trí mạng lục giác trên cùng một mặt phẳng, tạo thành một lớp nguyên tử C xếp chặt chẽ. Tương tự, các nguyên tử Si cũng chiếm các vị trí mạng lục giác trên cùng một mặt phẳng, tạo thành một lớp nguyên tử Si xếp chặt chẽ.
Sự kết hợp của các “tứ diện silic” này rất bền vững và sở hữu những tính chất vật lý và hóa học độc đáo.
Ví dụ, vật liệu này có độ dẫn nhiệt cao và khả năng tản nhiệt tuyệt vời. Trong khi các vật liệu khác có thể bị cháy xém dưới nhiệt độ cao, SiC lại có phản ứng khác biệt. Khi được nung nóng, nó chủ động tản nhiệt, tương tự như chức năng của một chiếc quạt điện. Khả năng chịu nhiệt độ cao này khiến nó được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị công suất lớn.
Hơn nữa, tính bền vững của cấu trúc “tứ diện silic” này góp phần mang lại khả năng chống va đập cao và điện trường phá vỡ lớn. Do đó, đây là vật liệu được ưa chuộng cho các thiết bị công suất và thiết bị tần số cao, tạo nền tảng cho việc ứng dụng sau này trong các thiết bị công suất IGBT.
Tuy nhiên, vật liệu SiC không được cấu tạo từ một tứ diện duy nhất gồm các nguyên tử C và Si, mà là từ vô số nguyên tử Si và C. Nhìn từ góc độ rộng hơn, C và Si tạo thành một mạng lưới. Cần lưu ý rằng mạng lưới này không chỉ là một mặt phẳng thông thường, mà là một bề mặt có những gợn sóng nhất định. Trên một lớp có các nguyên tử C, trong khi trên lớp tiếp theo có các nguyên tử Si. Mạng lưới này, được cấu thành từ các nguyên tử C và Si, được gọi là mạng lưới hai lớp.
Ngay cả khi có một lớp kép C-Si, điều đó vẫn chưa đủ để tạo thành một tinh thể. Nếu so sánh tinh thể SiC với một khối đậu hũ, thì lớp kép C-Si cũng giống như hàng nghìn miếng đậu hũ. Phải xếp chồng hàng nghìn miếng đậu hũ như vậy lên nhau mới tạo thành hình dạng của khối đậu hũ.
Sự khác biệt về cấu trúc tinh thể chủ yếu xuất phát từ những biến đổi theo chu kỳ trong cách sắp xếp các lớp kép Si-C. Trật tự sắp xếp của các lớp kép Si-C có thể thay đổi theo vô số cách, với hơn 200 kiểu sắp xếp đã được biết đến.
Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, chúng ta không cần đến các cấu trúc phức tạp vì cấu trúc của các lớp kép Si-C càng phức tạp thì các tính chất quang điện tử càng khó kiểm soát. Hơn nữa, việc nuôi cấy các tinh thể phức tạp như vậy rất khó khăn và tính lặp lại của chúng không cao. Do đó, ba cấu trúc tinh thể phổ biến nhất trong ngành công nghiệp là:
(1) Loại đầu tiên có tên là: 3C-SiC.
Ở đây, ‘3’ biểu thị số đơn vị lặp lại hai lớp, tương tự như việc xây dựng một tòa nhà với ba lớp làm đơn vị cố định và lặp lại cấu trúc đó theo chiều dọc. ‘C’ là viết tắt của từ “cubic” (hình lập phương), cho biết các nguyên tử trong tinh thể này được sắp xếp theo cấu trúc hình lập phương. Loại cấu trúc hai lớp carbon-silicon này lặp lại theo trình tự ABC-ABC.
Hệ tinh thể lập phương là gì?
Cấu trúc nguyên tử như sau: một hình lập phương với một nguyên tử nằm ở tâm của mỗi mặt. Loại cấu trúc nguyên tử này còn được gọi là hệ tinh thể lập phương tâm mặt.
Loại thứ ba được gọi là: 6H-SiC
Giống như các trường hợp trước, số 6 biểu thị số lớp nguyên tử kép lặp lại, còn H biểu thị cấu trúc lục giác xếp chặt. Lớp nguyên tử kép carbon-silicon này được sắp xếp theo chuỗi lặp lại ABCACB-ABCACB.
Cấu trúc tinh thể của SiC có mối liên hệ chặt chẽ với nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao trong khoảng từ 1900 đến 2000°C, do bản chất không ổn định về cấu trúc, 3C-SiC dần chuyển hóa thành các dạng đa hình như 6H-SiC. Vì xác suất hình thành đa hình trong SiC phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và sự bất ổn định của chính 3C-SiC, nên việc đạt được tốc độ tăng trưởng cao cho 3C-SiC là một thách thức, dẫn đến những khó khăn trong quá trình chế tạo. Mặt khác, các cấu trúc tinh thể lục giác như 4H-SiC và 6H-SiC được nghiên cứu phổ biến hơn và dễ chế tạo hơn do các đặc tính vốn có của chúng.
