CC BY
56УДК 541.123.2:666.3
Ш.Ш. Шабанов, Г.Д. Кардашова, Т.Э. Абдуллаев, Н.Р. Юнусова
Электропроводность горячепрессованных керамических материалов на основе карбида кремния при высоких температурах
Дагестанский государственный университет; Россия, 367001, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43 а;sh-shaban@yandex.ru
Целью исследования было изучение электропроводности горячепрессованных керамических материалов на основе карбида кремния при высоких температурах. Исследована структура и температурные зависимости электрофизических свойств керамик SiC-AlN, SiС-BeO, А1203, полученных методом горячего прессования. Установлено, что удельное сопротивление исследованных образцов в области температур 300-1800 К уменьшается от 1012 Ом ■см до десятков Омсм. Показано, что введение легирующих добавок АШ в керамику SiC приводит к значительному увеличению, а ВеО - к снижению удельного сопротивления. Установлено, что для керамики SiC-A1N с высоким содержанием АШ увеличивается электросопротивление, приближаясь к таким диэлектрикам как А1203. Значения электропроводности керамики SiC-A1N, SiC-BeO и А1203 при 300 К отличаются. При высоких температурах керамика А1203 имеет более низкую электропроводность, а керамика SiC-BeO - более высокую электропроводность. Проводимость всех этих образцов при 1500 К примерно одинаковая. Результаты электрофизических исследований обсуждаются совместно с данными структурных исследований.
Ключевые слова: электропроводность, керамика, карбид кремния.
Введение
Общие тенденции развития высокотемпературного материаловедения показывают, что в настоящее время интенсивно ведутся разработки и исследования, направленные на создание новых наноструктурированных керамических материалов, имеющие перспективу реализации в высотемпературных технологиях металлургии, химической, нефтегазовой промышленности. Высокая прочность, износостойкость в сочетании с устойчивостью к термическим ударам и агрессивным средам определяют перспективу применения керамических материалов для устройств теплонагруженных конструкций, изделий для ракетно-космической техники и машиностроения, подвергающихся воздействию высоких температур (более 1500 К) и агрессивных сред. Это связано с тем, что керамические материалы в этих условиях обладают повышенными значениями предела прочности, жаростойкости. Высокая теплопроводность и механическая стойкость, стойкость к воздействию агрессивных средств карбида кремния (БЮ) определяют перспективу использования керамики на его основе в экстремальных условиях [1]. Следует предположить, что керамические материалы, получаемые в системе БЮ-АШ, будут обладать свойствами, присущими БЮ и АШ [2-4]. В этой связи актуальной проблемой современного материаловедения является разработка экономически выгодных технологических процессов изготовления консолидированных новых керамических материалов с регулируемыми и заданными параметрами состава, структуры и свойств на основе бинарных соединений - карбида кремния и нитрида алюминия. Результаты исследований диэлектрических свойств материалов в системе БЮ-АШ представлены в [5].
Методика эксперимента
Образцы керамики SiC-AlN и SiC-BeO получены методом горячего прессования при температурах 2150-2420 К в среде азота в течение 60 минут. Давление горячего прессования составляло около 35 МПа. В качестве исходных компонентов были использованы порошки карбида кремния а-модификации. Дисперсность порошков карбида кремния составляла в среднем 2,4 мкм, а нитрида алюминия, оксида алюминия и оксида бериллия - порядка 1 мкм. Исследуемые образцы керамики имели форму пластин с размерами 15*5*0,5 мм и дисков диаметрами 10 и 20 мм, толщиной 1-2 и 7 мм. Состав твердых растворов SiC-AlN изменялся от 10 % до 70 вес. % АШ, а для SiC-BeO - от 0,5 % до 2 вес. % ВеО.
Структурные исследования керамических материалов проведены по интегральной интенсивности рентгеновского излучения СиКа на дифрактометре ДР0Н-2,0 при ускоряющем напряжении 20 кВ. Элементный и политипный анализ полученных образцов показали присутствие в свободном и связанном состоянии примесей А1, Fe, Мп и В в концентрации < 1 вес. %. Образцы с малым содержанием АШ (< 30 вес. %) в основном имеют политипы 15 R и 6 Н, а при концентрации АШ более 50 % вес. - политипы 4 Н, 2 Н и реже 8 Н. В горячепрессованных керамических образцах SiC-BeO при добавлении более 1,5 вес. % ВеО наблюдается стабилизация политипной модификации 6 Н. Рентгеноструктурные исследования керамических образцов SiC-A1N и SiC-BeO показали изменения параметра кристаллической решетки.
Измерения электропроводности в диапазоне температур 300-2300 К были проведены двухзондовым методом на установке, описанной в [6].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Температурные зависимости электропроводности керамики SiC-A1N с различным процентным содержанием A1N представлены на рис. 1. Как следует из рис. 1, для образца SiC-A1N с содержанием A1N (10 вес. %) можно выделить три температурные области: область примесной проводимости (III), область примесного истощения (II) и область собственной проводимости (I). Таким образом, электропроводность керамики SiC-A1N с низким содержанием A1N (< 10 вес. %) имеет температурную зависимость, характерную для полупроводникового SiC. Для образцов с высоким содержанием A1N температурная зависимость электропроводности имеет вид, характерный для диэлектриков. Действительно, как показано в [7], рост процентного содержания A1N в керамике SiC-A1N приводит к увеличению ширины запрещенной зоны.
Температурные зависимости электропроводности керамики SiC-BeO, полученные для разных концентраций оксида бериллия, приведены на рис. 2. Для этих составов электропроводность возрастает с увеличением содержания ВеО, что можно связать с увеличением концентрации легирования Ве в карбиде кремния.
Для керамики SiC-A1N с высоким содержанием A1N увеличивается электросопротивление, приближаясь к таким диэлектрикам, как Al2Oз (рис. 3). Как видно из рис. 3, значения электропроводности керамики SiC-A1N, SiC-BeO и Al2O3 при 300 К отличаются. При высоких температурах керамика Al2O3 имеет более низкую электропроводность, а керамика SiC-BeO - более высокую. Проводимость всех этих образцов при 1500 К примерно одинаковая.
О
0,1 0,01 1Е-3 1Е-4 1Е-5 1Е-6 1Е-7 1 Е-8 1Е-9 Е-10
glE.ll ^ 1 Е-12
И 10 % A1N
зс
30 % A1N
70 % A1N
103/Т, (К1)
Рис. 1. Температурная зависимость электропроводности керамики SiC-A1N от содержания A1N
10з/Т, (КГ1)
Рис. 2. Температурная зависимость электропроводности керамики SiC-ВеО от содержания ВеО
В поликристаллических полупроводниковых материалах влияние границ зерен на проводимость связано с изменением средней длины свободного пробега носителей заряда, которая составляет величину менее 100-150 А. Учитывая, что размеры кристаллитов более 1 мкм (рис. 4), влиянием рассеяния на границах зерен можно пренебречь. Характер же зависимости электропроводности в низкотемпературной области будет определяться двумя факторами: концентрацией электрически активных примесей в решетке (алюминий и азот) и увеличением ширины запрещенной зоны с ростом содержания нитрида алюминия.
1
0.1 -, 0.01 -, 1Е-3 -, 1 Е-4 -1Е-5 -, 1Е-6 п 1Е-7 -i 1Е-Э 1Е-9 1Е-Ю 1 Е-11 1Е-12
1Е-13
SiC-BeO SiC-AlN AI2O3
п
|н 107Т, (К1)
Рис. 3. Температурная зависимость электропроводности керамик SiC-AlN, SiC-ВеО, Л120з
Температурную зависимость электропроводности (а), где преобладает собственная проводимость, можно представить как
о = С-ехр(-Е§/ (2кТ)}, (1)
где С - постоянная, Её - ширина запрещенной зоны, к - постоянная Больцмана, Т - температура.
Значения ширины запрещенной зоны, рассчитанные в соответствии с уравнением (1), составляют 3,1 эВ для БЮ-АШ с низким содержанием АМ (< 10 %), 6,0 эВ для БЮ-АШ с высоким содержанием АМ (> 70 %). Эти данные совпадают со значениями Её для чистого БЮ, АШ и А1203, соответственно [8-10].
Рис. 4. Микрофотографии горячепрессованной керамики (а) БЮ-АШ (10 вес. % АШ) и керамики (б) БЮ-Бе0 (2 вес. % ВеО)
Заключение
Показано, что керамика БЮ-АШ с низким содержанием АШ (< 10 %) имеет температурную зависимость электропроводности, характерную для полупроводника. Тем-
пературные зависимости электропроводности керамики с 10 % - AlN имеют три основные области: область примесной проводимости, область примесного истощения, область, приближающаяся к собственной проводимости. Показано, что удельное сопро-
12 9 7 •
тивление при 300 К составляет 10 Ом-см, 10 Ом-см, 10 Ом-см для SiC-BeO керамики, содержащей 0,5, 1,0 и 2,0 % BeO соответственно; 1012 Ом-см, 108 Ом-см, 106 Ом-см для SiC-AlN керамики, содержащей 50 % (и более), 20 % и 10 % AlN соответственно; 1012 Ом •см для Al2O3. Удельное сопротивление всех этих образцов при 1500 К составляет около 10 Ом-см.
Работа выполнена при финансовой поддержке госзадания Минобрнауки России в сфере научной деятельности.
Литература
1. Сафаралиев Г.К., Билалов Б.А., Гитикчиев М.А., Магомедова Е.К. Исследование свойств наноструктурной керамики на основе карбида кремния // В мире научных открытий. - 2010. - № 4-6. - С. 15-16.
2. Dallaeva D.S., Tomanek P., Kardashova G.D., Safaraliev G.K. High-Density Ceramic Materials on the Basis of Silicon Carbide // Key Engineering Materials (print). - 2014. - Vol. 592-593. - P. 397-400.
3. Сафаралиев Г.К., Шабанов Ш.Ш., Билалов Б.А., Кардашова Г.Д., Пашук Е.Г., Халилов Ш.А., Ахмедов Р.Р. Упругие и вязкоупругие свойства керамики на базе твердых растворов SiC-AlN // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2011. - № 4 (56). - С. 4-6.
4. Сафаралиев Г. К., Садыков С. А., Билалов Б. А., Агаларов А. Ш. Состав, структура и диэлектрические свойства керамических материалов системы SiC-AlN // Неорганические материалы. - 2013. - Т. 49, № 1. - С. 33-37.
5. Офицерова Н.В., Нурмагомедов Ш.А., Савина В.И., Дибиргаджиев Д.Ш. Исследование влияния добавок на катодолюминесценцию твердых растворов на основе S^ // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2015. - Т. 30. - Вып. 6. - C. 35-41.
6. Avrov D.D., Dorozhkin S.I., Rastegaev V.P., Tairov Yu.M. Electrical Conductivity of Polycrystalline SiC in Temperature Range 300-2300 K Trans // Second Int. High Temperature Electronics Conf. Charlotte - NC. 5-10 June 1994. - Vol. 2. - P. 41.
7. Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. и др. Получение и свойства поликристаллических твердых растворов SiC-AlN // Физика и техника полупроводников. -1993. - Т. 27, № 3. - С. 402-408.
8. Пазунков В.В. Словарь электротехнических материалов. - Л.: Энергоатомиз-дат, 1988. - Т. 3.
9. Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К., Сафаралиев Г.К., Билалов Б.А., Каргин Н.И., Гусев А.С. Структурные свойства эпитаксиальных пленок твердого раствора (SiC)1-x(AlN)x, полученных магнетронным распылением составных мишеней SiC с Al // Письма в Журнал технической физики. - 2014. - Т. 40, № 7. - С. 49-55.
10. Safaraliev G.K., Bilalov B.A., KurbanovM.K., Altukhov V.I., Kas'yanenko I.S., and A. V. Sankin. Calculation of the Schottky Barrier Height at the Contact between a Metal and (SiC)1-x(AlN)x Semiconductor Solid Solution // Russian Microelectronics. - 2015. - Vol. 44, № 6. - P. 404-409.
Поступила в редакцию 7 июня 2015 г.
UDC 541.123.2:666.3
Electrical conductivity of hot-pressed ceramic materials on the basis of silicone carbide
at high temperatures
Sh.Sh. Shabanov, G.D. Kardashova, T.A. Abdullaev, N.R. Yunusova
Dagestan State University; Russia, 367001, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43 a; sh-shaban@yandex. ru
The research objective is to study an electrical conductivity of hot-pressed ceramic materials on the basis of silicone carbide at high temperatures. The structure and temperature dependences of physical characteristics of ceramics SiC-AlN, SiC-BeO, Al2O3 received by the method of hot-pressing have been investigated. The resistivity of the studied samples at temperatures 300-1800K decreases from 10120hm-cm to tens Ohm-cm. It has been established that the introduction of doping additives AlN in ceramics SiC results in substantial growth, and BeO - to the decrease of resistivity. It has been found out that the electrical resistivity increases for ceramics of SiC-AlN with the high content of AlN approaching such dielectrics as Al2O3. The meanings of ceramic electrical conductivity SiC-AlN, SiC-BeO and Al2O3 at 300 K differ. The ceramics Al2O3 has lower electrical conductivity at high temperatures and ceramics SiC-BeO has higher electrical conductivity. The conduction of all these samples at 1500K is approximately identical. The results of electrophysical research have been discussed together with the data of the structural studies.
Keywords: electrical conductivity, ceramics, silicone carbide.
Received 7 June, 2015
