Как да си направим силициев карбид Момосанит

Мойсанитът се отличава като изключителен скъпоценен камък, който блести с повече огън и блясък от диаманта. От откриването му преди повече от 100 години, неговата завладяваща красота очарова бижутерите.

Анри Мойсан от Франция пръв открива моисанита в метеорити и кимберлити, въпреки че днес повечето бижутерски моисанити са лабораторно създадени чрез усъвършенстван термичен метод.

Процесът Lely

Силициевият карбид (SiC) е сравнително нов материал за полупроводникова основа; въпреки това обещанието му за приложения в областта на електрозахранването и радиочестотите беше бързо идентифицирано в началото. Подходящ производствен процес е установен едва през 70-те години на миналия век; днес обаче процесът на Лели е основният метод за производство на субстрати от SiC; той включва отглеждане на монокристали при контролирана високотемпературна среда, като се използват високочисти Si и въглерод за образуване на монокристали, които след това се отглеждат като слитъци с определена чистота, стехиометрия, разпределение на размера на зърната, както и електрически параметри, като например характеристики на проводимост.

Този метод на производство отразява естественото образуване на моисанита, като създава големи кристали в инертна атмосфера в продължение на няколко месеца, възпроизвеждайки естествените процеси на образуване. Така се получават кристали с желани физични характеристики, като ниско термично разширение и добра твърдост - идеални качества например за нагревателни елементи.

Мойсанитът може да бъде създаден на два етапа. Първо трябва да се синтезира силициев карбид. Това може да се осъществи чрез нагряване на смес от чист кварцов пясък и петролен кокс в електродъгова пещ, при което се получава плътен материал от силициев карбид, подобен на структурата на моисанита.

След първоначалния синтез на суровината се прилагат допълнителни процеси за превръщането ѝ в кристален субстрат. Те включват декарбонизация, кристализация и изчистване от примеси - в крайна сметка се получават кристали с високи експлоатационни свойства, като висок коефициент на пречупване и ниско термично разширение.

Този процес се основава на метода на Лели, изобретен през 1955 г. от химика Лели. Той включва изпаряване и кондензиране на силициев карбид, без да се преминава през течно състояние; това обаче създава трудности при контрола на примесите. В началото на 80-те години на миналия век друг химик на име Дейвис открива начин за контрол на примесите чрез нагряване на силициевия карбид до 2500 градуса по Целзий, след което го охлажда в атмосфера от газ аргон; по този начин се получават прозрачни и безцветни кристали, които стават известни като моисанит по името на техния откривател Анри Моисан.

Растеж на потока

Силициевият карбид е изключително твърд минерал с твърдост 9 по скалата на Моос, което го прави един от най-твърдите минерали на земята. От силициевия карбид могат да се изработват бронежилетки и керамични плочи; освен това той често се използва в приложения за рязане като абразив. Освен това силициевият карбид осигурява добри характеристики при високи температури благодарение на ниския си коефициент на термично разширение.

Мойсанитът е скъпоценен камък, съставен от силициев карбид, който е открит за първи път през 1893 г. от Анри Мойсан и е наречен на негово име. Въпреки че се среща рядко, моисанитът може да бъде открит само в желязно-никелови метеорити или в някои ултрамафични магмени образувания. Първоначално е имало съмнения относно откриването му, тъй като някои са предполагали, че пробите могат да бъдат замърсени от остриета на триони, използвани за рязане на метеорити - този аргумент обаче е опроверган, тъй като самият д-р Анри Мойсан е използвал само остриета от силициев карбид, когато е подготвял пробите си!

По-голямата част от синтетичния моисанит, произвеждан днес, е синтетичен; повечето производители използват за производството му метода на флукс растеж. Той включва нагряване на смес от силициев карбид на прах и флюс при висока температура, след което постепенно се охлажда бавно, докато настъпи кристализация върху семенния кристал и се получи моисанит с поразителна прилика с естествения му аналог.

Процесът PVT (физическо пренасяне на парите) предлага друг начин за производство на синтетичен моисанит. Той включва сублимиране на силициев карбид във вакуум, преди да се нанесе върху семенни кристали - създавайки множество кристали наведнъж и лесно контролирайки техните размери.

Бижутата с моисанит могат да бъдат по-достъпни за хора, които желаят привличащо вниманието изделие с уникален цвят и чистота, отколкото диамантените им аналози, тъй като цената им се определя от размера на милиметъра, а не от теглото на карата. Освен това моисанитът тежи 15% по-малко от диамантите, така че е по-вероятно да получите по-големи парчета за същата цена.

PVT (физически пренос на пари)

Тестването на PVT позволява на производствените екипи да гарантират, че всеки чип работи на най-високо ниво по отношение на температурните и енергийните спецификации, протоколите за управление на риска, дизайна на продаваните продукти и капацитета за масово производство. Освен това PVT позволява на екипите да нагласят продуктите или да направят необходимите модификации преди масовото производство, както и да извършат други тестове, например ALC или вибрационни тестове.

Силициевият карбид (SiC) е промишлен материал с многобройни приложения в електрониката. Като широколентов полупроводник с отлична термична стабилност и пробивно напрежение, SiC се използва в устройства като MOSFET и диоди на Шотки, които използват неговите енергийни възможности. Поради ниската топлопроводимост и изискванията за допиране, необходими за подобряване на електрическите свойства, този материал може да се нуждае от допълнителни модификации, преди да може да се използва в компоненти с по-висока температура, като например газови турбини.

Техниката на физическия пренос на пари (PVT) може да бъде ефективно средство за производство на големи кристали от висококачествен силициев карбид. При този процес разтопеният силициев карбон се пренася през порест бариерен елемент от графитен тигел при висока температура, докато сублимира; след това парите му преминават през този бариерен елемент, преди да се нанесат върху семенните кристали. Всеки материал, който е достатъчно порьозен, за да позволи преминаването на силициеви пари, може да служи като бариерен елемент.

Мойсанитът, обикновено наричан вторичен продукт на минерала, притежава превъзходни механични свойства и може да се отглежда в различни форми. Изключително устойчив на надраскване и изтъркване, моисанитът е един от най-твърдите съществуващи минерали с твърдост 9,25 по скалата на Моос и много здрав, като устоява на пукнатини или счупвания, без да се поврежда с течение на времето.

Въпреки че моисанитът не е широко разпространен минерал, малки количества от него могат да бъдат открити в някои метеорити и корунда - друго съединение на силиций и въглерод. Със своята хексагонална кристална структура и стабилно поведение при високи температури, моисанитът може лесно да се отлива в различни форми за използване и в бижута.

Химическо отлагане на пари

Химическото отлагане от пари, или CVD, е иновативна техника, използвана за отлагане на нелетливи твърди филми върху субстрати. Техниката може да се прилага за производство на полупроводникови пластини, силициев карбид и други материали; приложенията ѝ варират от производство на полупроводникови пластини при повишени температури до среди с атмосферно налягане. Прекурсорните газове се адсорбират и реагират на повърхността на подложката, за да се образува желаният материал, който съответства на кристалната му структура, като резултатите са много плътни и могат да се моделират в желани форми.

Технологията CVD има множество приложения в електрониката, оптоелектрониката и катализа - от производството на монокристални силициеви епитаксиални слоеве до производството на микроелектромеханични системи (MEMS) и наноелектромеханични системи (NEMS). За съжаление, изискванията за висока температура при отглеждането на SiC ограничават използването му като част от производството на MEMS/NEMS устройства - но в момента се провеждат проучвания за разработване на нискотемпературни CVD процеси за използване в тези приложения.

Мойсанитът е форма на силициев карбид, създадена в лаборатории с помощта на различни техники. Като един от най-твърдите минерали на Земята, чиято твърдост по скалата на Моос е 9,25, моисанитът придобива известност като алтернатива на диаманта поради сходните си топлинни и електрически свойства; оттук и прозвището му "заместител на диаманта". Мойсанитът може да се похвали с отлични характеристики на издръжливост, които предотвратяват надраскване или нарязване - той се превърна и в популярен алтернативен избор за бижута поради разнообразието от цветове, които се предлагат за него.

Химическото отлагане на пари или CVD е най-добрият процес за производство на мозанит. Тази техника включва нагряване на смес от силиций и въглерод до изключително висока температура, след което газът се вкарва във вакуумна камера, за да се образуват кристали от силициев карбид. CVD предлага много предимства пред другите производствени методи за създаване на моисанит.

Синтетичният моисанит може да се произвежда и по синтетичен път в лаборатория, което представлява икономична алтернатива на естествения диамант. С подобен химичен състав и цветови варианти, като сини, зелени, червени и сиви нюанси, той осигурява същата степен на оптична пропускливост като естествения диамант - което прави синтетичния моисанит отличен кандидат за приложения с оптични покрития.