Denne artikkelen er produsert og finansiert av De regionale forskningsfondene - les mer.

Ved hjelp av nye grep kan dette silisiumkarbidpulveret fremstilles i gamle smelteovner. Pulveret knuses og brukes til å gro knallharde krystaller. (Foto: Fiven Norge)
Ved hjelp av nye grep kan dette silisiumkarbidpulveret fremstilles i gamle smelteovner. Pulveret knuses og brukes til å gro knallharde krystaller. (Foto: Fiven Norge)

Silisiumkarbid minsker energitapet i elektronikken vår

Ved å erstatte silisiumet i elbilen med silisiumkarbid øker rekkevidden betydelig. En industribedrift på Sørlandet har nå lært seg nye metoder for å lage superrent silisiumkarbid i gamle ovner.

Publisert

El-biler, datamaskiner, mobilladere og utallige andre innretninger inneholder elektroniske komponenter som slår strømmen hyperraskt av og på og endrer mellom likestrøm og vekselstrøm.

Er disse komponentene laget med silisium, forsvinner mer enn ti prosent av energien i form av varmetap. Bruker vi silisiumkarbid i stedet, blir varmetapet mye mindre.

– Hvis alle andre forhold er like og vi erstatter silisiumet i kraftelektronikken i en elbil med silisiumkarbid, vil vektreduksjon og lavere energitap øke rekkevidden med rundt åtte prosent, sier Oda Marie Ellefsen, forskningsingeniør i Fiven Norge AS.

Selskapet ble etablert av industripioneren Sam Eyde i 1912 og har levert silisiumkarbid til verdensmarkedet siden. Stoffet er knallhardt – bare diamant og et par materialer basert på grunnstoffet bor, er hardere – og har vært mye brukt til blant annet sandpapir, kutteskiver og partikkelfiltre i dieselbiler.

Koker pulver og gror krystaller

Skal silisiumkarbid brukes i den elektronikken vi i dag finner i alt fra mobiltelefoner til elbiler, må stoffet imidlertid være renere enn det som er akseptabelt for sandpapir.

Gjennom et forskningssamarbeid med Sintef Industri og Friedrich-Alexander-universitetet i Nürnberg har Fiven funnet en metode der de kan bruke eksisterende smelteovner til å lage rent silisiumkarbid. Forskningen er støttet av Regionale forskningsfond Agder.

– Silisiumkarbid lages ved at sand og karbon varmes opp til høye temperaturer i store ovner. Etter nedkjøling knuses silisiumkarbidet til pulver. Ved å justere litt på sammensetningen av råstoffer og prosessene i ovnen, har vi klart å lage et pulver som er rent og har store, regelmessige partikler, sier Pål Runde, administrerende direktør og forskningsdirektør i Fiven.

At partiklene er både rene og like store, er viktig for neste skritt i prosessen – å gro krystaller.

Krystallgroing av materialer til bruk i elektronikk er en av seks teknologier som har fått merkelappen viktig muliggjørende teknologi av EU. Dette er teknologi som anses å ha store muligheter for å bidra til økt energi- og ressurseffektivitet, nye produkter, lønnsom industri og nye arbeidsplasser.

Forskningsingeniør Oda Marie Ellefsen viser frem et silisiumkarbidkrystall som er kuttet i to til ære for forskning.no. Tynne skiver av krystallet kan brukes i fremstillingen av mer energieffektiv elektronikk. (Foto: Fiven Norge)
Forskningsingeniør Oda Marie Ellefsen viser frem et silisiumkarbidkrystall som er kuttet i to til ære for forskning.no. Tynne skiver av krystallet kan brukes i fremstillingen av mer energieffektiv elektronikk. (Foto: Fiven Norge)

Bruker tysk ekspertise

Foreløpig tar ikke Fiven hånd om krystallgroingen selv. Pulveret sendes til samarbeidspartnere i Tyskland for videreforedling.

– De legger pulveret i en smeltedigel som føres inn i et vakuumkammer som varmes opp. Silisiumkarbidet fordamper, og når dampen deretter kondenseres i riktig tempo, vil et lite frø etter hvert legge på seg slik at det dannes et krystall, sier Runde.

Prosessen tar tid, men hvis den gjøres riktig, blir to - tre kilo av pulveret fra Norge omdannet til en svært ren, førsteklasses énkrystall på 10–15 centimeter i diameter.

– Å gjøre dette med silisiumkarbid er mye vanskeligere enn med silisium. Silisiumkarbidet er kresent av seg og må ha akkurat riktig temperatur for å oppføre seg slik vi ønsker, forklarer forskningsingeniør Ellefsen.

Krystallet sages opp i syltynne skiver med diamantsag, og det er disse skivene som brukes av elektronikkindustrien.

Måler hvor fort atomene flyr

Renheten i krystallskivene er bekreftet av Sintef Industri i Oslo ved hjelp av en målemetode som heter flytids sekundær-ion massespektrometri. Den er akkurat like avansert som den høres ut.

– Vi bruker et apparat der vi skyter ladde galliumatomer på materialprøver som skal analyseres. Da slås det løs atomer fra prøvens overflate. Noen av disse atomene mister et elektron og blir dermed til positive ioner. Ionene akselereres i et elektrisk felt, slik at alle tilføres nøyaktig like mye energi. Det betyr at lette ioner fyker av gårde raskere enn tunge ioner, forklarer seniorforsker Børge Holme.

Seniorforsker Børge Holme hos Sintef Industri i Oslo har testet renheten i silisiumkarbidkrystallet fra Fiven. (Foto: Sintef Industri)
Seniorforsker Børge Holme hos Sintef Industri i Oslo har testet renheten i silisiumkarbidkrystallet fra Fiven. (Foto: Sintef Industri)

På forhånd vet forskerne hvilken flytid ulike ladde atomer og molekyler vil ha før de når en sensor i apparatet. Hydrogenatomene er lette og vil legge de andre bak seg i beste Usain Bolt-stil. Silisium, som i atomenes verden er en ganske røslig type, kommer dinglende etter – litt som en tikjemper på den avsluttende 1500-meteren.

– Forskjellene er ikke store. Vi snakker om mikrosekunder, men de kan måles. Og ut fra avlesningene av ankomsttid kan vi altså fastslå den nøyaktige kjemiske sammensetningen på materialets overflate, sier Holme.

Slik ser en superren én-krystall av silisiumkarbid ut. (Foto: Fiven Norge)
Slik ser en superren én-krystall av silisiumkarbid ut. (Foto: Fiven Norge)

Svært følsom metode

Seniorforskeren forteller at metoden er så følsom at dersom det var et fingeravtrykk på prøven, ville det bli lest av nesten bare karbon fra hudfett og salt fra svette.

– Derfor må vi alltid ta en runde der vi skyter vekk fremmedstoffer før vi kan begynne med selve analysene. De som solgte oss maskinen, fortalte at da de leste av tverrsnittet av et glanset magasinpapir som var kuttet med kniv, registrerte detektoren mer jern i den delen av papiret som hadde vært i kontakt med den tykke delen av knivseggen, sier han.

Holme forteller at Sintef Industri har analysert prøver fra til sammen 20 ulike punkter fra to krystallskiver av silisium fra Fiven. Konklusjonen var at krystallene var svært rene.

Ifølge Pål Runde i Fiven vil etterspørselen etter silisiumkarbid komme til å øke kraftig fremover.

– Forskningen vi har gjennomført gjør at vi kan begynne å tenke på industrialisering, og vi vil søke støtte fra Innovasjon Norge til å etablere en pilotlinje for produksjon. Vi vil utvikle nye prosess-steg og fortsette samarbeidet med Nürnberg-laben der de gror krystaller, sier han.