In december 2013 heeft de Europese ruimtevaartorganisatie ESA de Gaia-satelliet gelanceerd, die in vijf jaar tijd de locatie en voortbewegingssnelheid van zo’n miljard sterren in kaart moest brengen. Gaia is zo nauwkeurig dat het een mensenhaar – met een dikte van enkele tientallen microns – op een afstand van zo’n 1000 kilometer kan detecteren. Siliciumcarbide speelt een belangrijke rol in deze satelliet – de spiegels en de dragende structuur voor overige optische onderdelen zijn van dit technisch keramische materiaal gemaakt.

Ruimtespiegel
Door de juiste hardheid, sterkte en stijfheid – ongeveer twee maal zo stijf als staal – en ook de relatief lage dichtheid en de geringe thermische uitzettingscoëfficiënt kwam siliciumcarbide als optimaal materiaal uit de bus. Deze materiaaleigenschappen zorgen dat siliciumcarbide nauwelijks vervormt. Voor een correcte meting wil je immers zeker weten dat een ster die lichtjaren ver weg staat echt beweegt, en dat een ‘beweging’ niet het gevolg is van instabiliteit of een onnauwkeurigheid binnen de satelliet zelf. De spiegels zijn gemaakt van gesinterd siliciumcarbidepoeder, gepolijst en voorzien van een dunne laag siliciumcarbide die met chemische dampfase depositie (CVD) is aangebracht. Deze toplaag is tot een nauwkeurigheid van 10 nanometer gepolijst – tot een spiegelglad oppervlak.
Spiegelende oppervlakken moeten op microscopische schaal vlak en glad zijn. De hoek die een invallende lichtstraal maakt met het spiegelende oppervlak moet gelijk zijn aan de hoek van de gereflecteerde lichtstraal. Je kunt je voorstellen dat een invallende lichtstraal gemakkelijk verstrooid raakt – dus in allerlei richtingen gaat reflecteren, wat hier onwenselijk is – als het oppervlak ruw is en als het ware uit allemaal kleine spiegeltjes bestaat, met elk een eigen spiegelrichting.

Gaia-satelliet (afbeelding: ESA)

Siliciumcarbide
Siliciumcarbide als materiaal komt nauwelijks voor in de natuur, en moet kunstmatig geproduceerd worden. Grootschalige industriële productie maakt gebruik van een grafiet-elektrode waar een immense elektrische spanning over aangelegd wordt waardoor de temperatuur oploopt tot meer dan 2000 graden Celsius. Een mengsel van kwartszand (SiO₂) en koolstof (C) in de vorm van (petroleum)kooks dat tegen deze elektrode aanligt reageert hierbij in een batch-proces van enkele dagen tot siliciumcarbide, met koolmonoxide als bijproduct. Siliciumcarbide is een hard en slijtvast materiaal, en de hier gemaakte vorm wordt vooral gebruikt als slijp- en snijgereedschap.
Er zijn enkele methoden voor het vervaardigen van zeer stabiele structurele high-tech componenten (‘high performance ceramics‘) van siliciumcarbide zoals in de Gaia aanwezig zijn. Zo wordt drukloos gesinterd siliciumcarbide (SSiC) gemaakt door zuiver siliciumcarbidepoeder met poederdeeltjes in het submicron-bereik en toevoegingen als sinterhulpmiddelen vorm te geven met gebruikelijke keramische vormgevingsprocessen en te sinteren net iets boven 2000 graden Celsius in een inerte atmosfeer. Hierbij moet de component al tijdens het sinteren de uiteindelijke vorm krijgen, want siliciumcarbide is zo hard dat het eigenlijk alleen met diamant (na)bewerkt kan worden. Dit wil je zoveel mogelijk voorkomen door de keramische verwerkingsstappen zo zorgvuldig mogelijk te doen, en al bij het ontwerp rekening houden met de krimp tijdens het sinteren. In een iets exotischer manier van vervaardigen wordt bij hoge temperatuur een poreuze vorm van zo’n 90% siliciumcarbidekorrels en de rest koolstof geïnfiltreerd met vloeibaar silicium, waarbij de koolstof met silicium reageert om een siliciumcarbide-binding tussen de korrels te geven. Hierbij treedt nauwelijks krimp op, waardoor je nauwkeurig grote componenten kunt maken van dit reactie-gebonden of met silicium-geïnfiltreerd siliciumcarbide (SiSiC).
Door de hoge thermische geleidbaarheid en de lage thermische uitzettingscoëfficiënt is siliciumcarbide goed geschikt om een plotselinge temperatuurverandering (‘thermoshock’) aan te kunnen.

Elektrische eigenschappen
Een eigenschap van siliciumcarbide die voor structurele componenten niet direct van belang is, is de elektrische geleidbaarheid van het materiaal. Maar ja, dat geldt ook voor een structureel metaal als staal dat eveneens elektrisch geleidt, maar waarbij deze eigenschap ook geen rol speelt voor de mechanisch steunende rol van het staal. Zuiver siliciumcarbide is een intrinsieke halfgeleider die qua elektrische geleiding tussen ‘echte geleiders’ als metalen en isolatoren in zit. Door het materiaal – net als bij silicium – te doteren met elementen als fosfor of boor wordt het een extrinsieke halfgeleider met een hogere elektrische geleiding. Als halfgeleider wordt siliciumcarbide bijvoorbeeld vanwege de ‘small lattice mismatch‘ toegepast als substraat voor indium-gallium-nitride-LEDs. En wellicht in de toekomst als vervanger voor siliciumwafers om computerchips van te maken. De vervaardiging van deze wafers is enigszins vergelijkbaar: bij silicium groeit een kiemkristalletje uit tot een groot silicium eenkristal door aangroei vanuit vloeibaar silicium, terwijl bij siliciumcarbide SiC-poeder sublimeert (dus verdampt vanuit de vaste toestand) en vervolgens op een kiemkristal neerslaat dat daardoor aangroeit tot een groot eenkristal. In beide gevallen krijg je de wafers door de eenkristallen in dunne plakken te snijden.

De materiaaleigenschappen van siliciumcarbide spelen een belangrijke rol in het onmetelijke heelal, maar ook op hele kleine schaal: op de ‘vierkante nanometer’ zoals bij de vervaardiging van chips in wafersteppers. Zo worden silicium-wafers nauwkeurig en vrijwel onbeweeglijk gepositioneerd op extreem vlakke substraten (‘wafer chucks’) gemaakt van siliciumcarbide, om de lithografische processtappen goed te kunnen ondergaan.