Силициум карбид (SiC), познат и како карборунд — тврдо хемиско соединение кое содржи силициум и јаглерод. Како полуспроводник, се јавува во природата како исклучително редок минерал моасанит, но масовно се произведува како прав и кристал од моасанит година за употреба како абразив. Зрната силициум карбид може да се поврзат заедно со синтерување за да формираат многу тврда керамика која е широко користена во апликации кои бараат висока издржливост, како што се автомобилски сопирачки, автомобилски спојки и керамички плочи во панцирни елеци. Големи еднокристали на силициум карбид може да се одгледуваат со методот на Лели и тие може да се исечат на скапоцени камења познати како синтетички моасанит.
Електронските примени на силициум карбид, како што се диоди што емитуваат светлина (LED) и детектори во раните радија, првпат биле демонстрирани околу 1907 година. SiC се користи во полуспроводнички електронски уреди кои работат на високи температури или високи напони, или и двете.
Природна појава
мини|Моасанит монокристал (≈1 mm во големина) Природно настанатиот моасанит се наоѓа во само мали количини во одредени видови метеорити, депозити на корунд и кимберлит. Практично целиот силициум карбид што се продава во светот, вклучително и моасанитните накит, е синтетички.
Природниот моасанит првпат бил пронајден во 1893 година како мала компонента на метеоритот Кањон Диабло во Аризона од д-р Фердинанд Анри Моасан, по кого материјалот бил именуван во 1905 година. Откритието на Моасан за природно настанатиот SiC првично било оспорено бидејќи неговиот примерок можеби бил контаминиран со сечила за пила со силициум карбид кои веќе биле на пазарот во тоа време.
Иако е редок на Земјата, силициум карбидот е неверојатно чест во вселената. Тоа е вообичаена форма на ѕвездена прашина пронајдена околу ѕвездите богати со јаглерод, а примери од оваа ѕвездена прашина се пронајдени во недопрена состојба во примитивни (непроменети) метеорити. Силиконскиот карбид пронајден во вселената и во метеоритите е речиси исклучиво бета-полиморф. Анализата на зрната SiC пронајдени во метеоритот Мурчисон, јаглероден хондрит метеорит, открила аномални изотопски сооднос на јаглерод и силициум, што укажува дека овие зрна потекнуваат надвор од Сончевиот систем.
Историја Рани експерименти Несистематски, помалку признати и често непроверени синтези на силициум карбид вклучуваат:
Цезар-Мансуете Деспрец поминува електрична струја низ јаглеродна прачка вградена во песок (1849) Роберт Сиднеј Марсден го раствора силициум диоксид во стопено сребро во графитен сад (1881) Загревањето на мешавина од силициум и силициум диоксид од страна на Пол Шуценбергер во графитна садница (1881) Алберт Колсон го загрева силиконот под струја на етилен (1882).
Широко производство
мини|Репликација на LED експериментите на Х.Џ. Ронд Широко производство му се припишува на Едвард Гудрих Ачесон во 1890 годинаEncyclopædia Britannica, eb.com. Ачесон се обидувал да подготви вештачки дијаманти кога загреал мешавина од глина (алуминиум силикат) и кокс во прав (јаглерод) во железен сад. Тој ги нарекол сините кристали кои формирале карборунд, верувајќи дека тоа е ново соединение од јаглерод и алуминиум, слично на корунд. Моасан, исто така, синтетизирал SiC на неколку начини, вклучително и растворање на јаглерод во стопен силициум, топење на мешавина од калциум карбид и силициум диоксид и со редуцирање на силициум диоксид со јаглерод во електрична печка.
Ачесон го патентирал методот за правење прашок од силициум карбид на 28 февруари 1893 годинаAcheson, G. (1893) "Production of artificial crystalline carbonaceous material". Ачесон, исто така, ја развил електричната сериска печка со која SiC сè уште се прави денес и ја формирал компанијата Carborundum за производство на најголемиот дел SiC, првично за употреба како абразив. Во 1900 година компанијата се договорила со Electric Smelting and Aluminum Company кога судиската одлука им дла „приоритет нашироко“ на нејзините основачи „за намалување на рудите и другите супстанции со методот на блескаво влакно“. Се вели дека Ачесон се обидувал да го раствори јаглеродот во стопениот корунд (алумина) и открил присуство на тврди, сино-црни кристали за кои верувал дека се соединение од јаглерод и корунд: оттука и карборунд. Можеби тој го нарекол материјалот „карборунд“ по аналогија на корунд, што е уште една многу тврда супстанција (9 на Мосовата скала).
Првата употреба на SiC била како абразив. Потоа следеле електронски апликации. Во почетокот на 20 век, силициум карбид се користел како детектор во првите радија. Во 1907 година Хенри Џозеф Раунд го произвел првиот LED со примена на напон на SiC кристал и набљудување на жолта, зелена и портокалова емисија на катодата. Ефектот подоцна бил повторно откриен од О.В. Лосев во Советскиот Сојуз во 1923 година.
Производство мини|Синтетички SiC кристали со пречник од ~ 3 mm мини|Две наполитанки од шест инчи направени од силициум карбид Бидејќи природниот моасанит е исклучително редок, поголемиот дел на силициум карбид е синтетички. Силициум карбид се користи како абразив, како и полуспроводнички и дијамантски симулант со квалитет на скапоцен камен. Наједноставниот процес за производство на силициум карбид е комбинирање на силициум песок и јаглерод во печка со електрична отпорност на графит Ачесон на висока температура, помеѓу 1,600 °C (2,910 °F) и 2,500 °C (4,530 °F). Ситните SiO2 честички во растителниот материјал (на пр. лушпи од ориз) може да се претворат во SiC со загревање во вишокот јаглерод од органскиот материјал. Силициумскиот чад, кој е нуспроизвод на производство на силициум метал и легури на феросилициум, исто така може да се претвори во SiC со загревање со графит на 1,500 °C (2,730 °F).
Материјалот формиран во печката Ачесон варира во чистота, според неговата оддалеченост од изворот на топлина на графитниот отпор. Безбојни, бледо жолти и зелени кристали имаат најголема чистота и се наоѓаат најблиску до отпорникот. Бојата се менува во сина и црна на поголемо растојание од отпорот, а овие потемни кристали се помалку чисти. Азотот и алуминиумот се вообичаени нечистотии и тие влијаат на електричната спроводливост на SiC.
мини|Синтетички SiC-кристали
Чистиот силициум карбид може да се направи со процесот на Лели, во кој SiC прав се сублимира во високотемпературни видови силициум, јаглерод, силициум дикарбид (SiC2) и дисилициум карбид (Si 2C) во амбиентален аргон гас на 2500 °C и повторно депонирани во единечни кристали слични на снегулки, со големина до 2 × 2 cm, на малку поладна подлога. Овој процес дава висококвалитетни единечни кристали, главно од 6H-SiC фаза (поради високата температура на раст).
Модифицираниот процес на Лели кој вклучува индукциско загревање во графитни садници дава уште поголеми единечни кристали од 4 инчи (10 cm) во пречник, имајќи дел 81 пати поголем во споредба со конвенционалниот процес на Лели.
Кубниот SiC обично се одгледува со поскапиот процес на хемиско таложење на пареа (CVD) на силин, водород и азот. Хомепитаксијалните и хетероепитаксиалните SiC слоеви може да се одгледуваат со примена на пристапи на гасна и течна фаза.
За да се формира комплексно обликуван SiC, прекерамичките полимери може да се користат како прекурсори кои го формираат керамичкиот производ преку пиролиза на температури во опсег од 1000-1100 °C AM of Ceramics from Preceramic Polymers Published in Additive Manufacturing 2019, vol. 27 pp 80-90. Претходните материјали за добивање на силициум карбид на таков начин вклучуваат поликарбосилани, поли (метилсилин) и полисилазаниEurope Makes Ceramics Preceramics. Материјалите од силициум карбид добиени преку пиролиза на прекерамички полимери се познати како керамика добиена од полимер или PDC. Пиролизата на прекерамичките полимери најчесто се изведува под инертна атмосфера на релативно ниски температури. Во однос на CVD процесот, методот на пиролиза е поволен бидејќи полимерот може да се формира во различни форми пред термализација во керамиката.
SiC може да се направи и во нафори со сечење на еден кристал или со помош на дијамантска жица пила или со користење на ласер. SiC е корисен полуспроводник кој се користи во енергетската електроника.
Структура и својства + Structure of major SiC polytypes.(β)3C-SiC 4H-SiC(α)6H-SiC
мини|Силициум карбид, слика направена под стереоскопски микроскоп Силициум карбид постои во околу 250 кристални форми. Преку инертна атмосферска пиролиза на прекерамички полимери, се произведува и силициум карбид во стаклена аморфна формаAdditive Manufacturing of Ceramics from Preceramic Polymers Published in Additive Manufacturing 2019, vol. 27 pp 80-90. Полиморфизмот на SiC се одликува со големо семејство на слични кристални структури наречени политипови. Тие се варијации на истото хемиско соединение кои се идентични во две димензии и се разликуваат во третата. Така, тие можат да се гледаат како слоеви наредени во одредена низа.
Алфа силициум карбид (α-SiC) е најчесто сретнуван полиморф и се формира на температури поголеми од 1700 °C и има шестаголна кристална структура (слична на Вурцит). Бета модификацијата (β-SiC), со кристална структура на мешавина од цинк (слична на дијамантот), се формира на температури под 1700 °C. До неодамна, бета формата имала релативно малку комерцијални употреби, иако сега постои зголемен интерес за нејзина употреба како поддршка за хетерогени катализатори, поради нејзината поголема површина во споредба со алфа формата.
+ Својства на главните политипови на SiCPolytype3C (β)4H6H (α)Кристална структура Мешавина од цинк (кубна) Шестаголна ШестаголнаВселенска група T2d-F3m C46v-P63mc C46v-P63mcПерсонов симбол cF8 hP8 hP12константни решетки (Å) 4,3596 3,0730; 10,053 3,0810; 15,12Густина (g/cm3) 3,21 3,21 3,21Забранета зона (eV) 2,36 3,23 3,05Масовен модул (GPa) 250 220 220Топлинска спроводливост (W⋅m−1⋅K−1) @ 300 K (see Silicon Carbide. Thermal properties . Ioffe Institute Semiconductors Database. for temp. dependence) 320 348 325
Чистиот SiC е безбоен. Кафеавата до црна боја на индустрискиот производ произлегува од нечистотии од железо. Сјајот на кристалите кој личи на виножито се должи на интерференцијата со тенок слој на пасивациониот слој од силициум диоксид што се формира на површината.
Високата температура на сублимација на SiC (приближно 2700 °C) го прави корисен за лежишта и делови од печката. Силициум карбид не се топи на ниту една позната температура. Исто така е високо инертен хемиски. Во моментов постои голем интерес за неговата употреба како полуспроводнички материјал во електрониката, каде што неговата висока топлинска спроводливост, висока јачина на распаѓање на електричното поле и висока максимална густина на струја го прават поперспективен од силиконот за уреди со голема моќност. SiC, исто така, има многу низок коефициент на топлинска експанзија (4,0 × 10 -6 /K) и не доживува фазни транзиции што би предизвикале дисконтинуитети во топлинската експанзија.
Електрична спроводливост
Силициум карбид е полуспроводник, кој може да се допингува од n-тип со азот или фосфор и од типот p со берилиум, бор, алуминиум или галиум. Металната спроводливост е постигната со тежок допинг со бор, алуминиум или азот.
Суперспроводливост е откриена во 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B на слични температури ~1,5 K. Сепак, клучна разлика е забележана за однесувањето на магнетното поле помеѓу алуминиум и бор допинг: 3C-SiC:Al е тип-II. Спротивно на тоа, 3C-SiC:B е тип-I, како и 6H-SiC:B. Така, суперспроводливите својства се чини дека зависат повеќе од допант (B vs. Al) отколку на политип (3C- наспроти 6H-). Во обид да се објасни оваа зависност, било забележано дека B заменува на C места во SiC, но Al заменува на места Si. Затоа, Al и B „гледаат“ различни средини, во двата политипа.
Употреба Абразивни и алати за сечење
мини|Дискови за сечење направени од SiC