Was haben ein Schleifpapier und ein Hochleistungstransistor gemeinsam? Für viele Menschen haben diese beiden Dinge auf den ersten Blick nichts miteinander zu tun. Tatsächlich kann man aber beides aus demselben Material fertigen: „Siliziumkarbid“, eine chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die auf der Erde nicht natürlich vorkommt. Mit diesem Thema beschäftigt sich das Forschungszentrum Energie an der FH Vorarlberg.

Wegen seiner diamant-ähnlichen Härte wird Siliziumkarbid als Pulver im Tonnenmaßstab aus Sand und Koks synthetisiert und kommt als Schleifmittel oder Verbundwerkstoff z.B. in Bremsscheiben und Wärmetauschern zum Einsatz. Was aber die Wenigsten wissen: Siliziumkarbid ist auch das wichtigste Material für die Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik. Es ist nämlich ein Halbleiter, der in seiner Stabilität und Leistungsfähigkeit den klassischen Materialien (wie z.B. Silizium) weit überlegen ist. Entsprechende Bauteile arbeiten stabil, egal ob bei hohen Strömen, hohen Spannungen, großer Hitze oder in chemisch aggressiver Umgebung. Kein Wunder also, das Siliziumkarbid-Transistoren für Wechselrichter, Wandler und Switches in E-Auto-Ladestationen und Antriebssträngen, in Windkraft und Photovoltaik heute enorm gefragt sind. Der deutlich höhere Preis im Vergleich zu konventionellen Silizium-Komponenten wird dafür gerne zugunsten ihrer Unempfindlichkeit und geringen Verluste in Kauf genommen.

Der Unterschied
Zum einen günstiger Werkstoff – zum anderen teurer Halbleiter, wo ist der Unterschied? Tatsächlich entscheiden die Reinheit und Perfektion der Siliziumkarbid-Kristallstruktur darüber, ob das Material für ein elektronisches Bauelement geeignet ist oder nur zum Schleifmittel taugt.

Und genau da setzt die Forschung von Prof. (FH) Dr. Bettina Friedel und ihrer studentischen Mitarbeiterin Miriam Kadinger vom Forschungszentrum Energie an. Denn diese Reinheit und Perfektion mit möglichst geringem Aufwand zu erreichen - aber trotzdem eine hohe Designflexibilität zum Einstellen der Halbleitereigenschaften zu erhalten - das ist ein Problem, an dem weltweit geforscht und entwickelt wird.

Dafür gibt es verschiedene methodische Ansätze. Klassisch wird das großtechnische Siliziumkarbidpulver aufwändig aufgereinigt, um dann energieintensiv und wenig flexibel große perfekte Kristalle wachsen zu lassen, aus denen man dann Bauteile fertigt. Ein anderer Ansatz nutzt günstigere flexible chemische Verfahren, um es direkt „sauber“ zu synthetisieren - mit geringfügigen Abstrichen hinsichtlich Kristalldimensionen und Perfektion. In letztere Kategorie fällt auch das von Bettina Friedel selbst entwickelte Verfahren, welches man wissenschaftlich als „Siliziumkarbidsynthese durch karbothermische Reduktion von sol-gel-basierten Siliziumoxykarbid-Gläsern“ bezeichnen würde. Dieser Ansatz hat einen enormen Designvorteil gegenüber anderen, z.B. eine flexible Zusammensetzung und die Möglichkeit der flüssigen Verarbeitung.

Wo sich weltweit SpezialistInnen um das Kristallwachstum an sich kümmern, widmet sich das Forschungszentrum Energie in der Forschung einem nicht minderwichtigen Nischenbereich: der „Design-Synthese“ von halbleiterfähigem Siliziumkarbid für Spezialanwendungen. Das Forschungszentrum untersucht - zum Teil auf Kundenwunsch, aber auch in der angewandten Forschung - wie sich das optische und elektrische Verhalten und die Oberflächeneigenschaften (isolierend, leitend, funktionalisiert) von Siliziumkarbid bei der Synthese verändern lassen und wie sich das auf seine Funktion in optoelektronischen, elektrochemischen und elektrischen Bauteilen auswirkt. Zwar lassen sich mit diesem Verfahren keine großen Kristalle direkt herstellen, dafür aber Sonderformen, wie Beschichtungen, Nanopulver, Mikrostrukturen, Schäume oder poröse Festkörper. Diese sind wiederum als Batterie-Speichermaterialien, für elektrokatalytische Wasserstoffproduktion, Photodetektoren, LEDs oder schlicht leitfähige abriebfeste Antioxidationsschichten gefragt.

Kurz zusammengefasst: Siliziumkarbid – ein Werkstoff für die Zukunft!

Siliziumkarbid: Ein begehrter Halbleiter der Zukunft

Kontakt für interessierte Unternehmen:

Prof. (FH) Dr. Bettina Friedel
Senior Postdoc mit Leitungsfunktion

+43 5572 792 3812
bettina.friedel@fhv.at

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