Структура на силициев карбид

Силициевият карбид (SiC) е свръхтвърд синтетичен материал, синтезиран за първи път през 1891 г. от Едуард Ачесън в пещ, нагрята с въглерод и алуминий. След пускането му в промишлеността като промишлен абразив през 20-те години на миналия век SiC бързо се превръща в един от най-търсените материали в голям мащаб.

SiC се предлага в различни кристални структури, известни като политипове; за приложения с висока мощност е най-подходящ политип с хексагонална атомна структура 4H-SiC.

Физични свойства

Силициевият карбид е фина керамика с разнообразни физични свойства, което го прави един от най-универсалните огнеупорни материали на пазара. Силициевият карбид се е доказал като жизненоважен елемент за съвременните електронни устройства - от неговата здравина, твърдост, устойчивост на корозия и висока температура на топене до гъвкавостта му в екстремни инженерни приложения - като лагери на помпи, клапани, инжектори за пясъкоструене и матрици за екструдиране. В допълнение към тези впечатляващи механични характеристики силициевият карбид предлага значителни възможности за полупроводници като незаменима съставка.

Чистият силициев карбид е безцветно кристално вещество с плътност 3,21 g/ml и температура на топене над 2700 градуса по Целзий. Често се произвежда чрез процеса на Ачесън, при който силициевият пясък и коксът се комбинират и се нагряват до високи температури в електрическа пещ, докато силициевият пясък се карбонизира, за да се образуват едрокристални структури като a-SiC, докато при слитъците b-SiC се образуват диамантени кубични структури.

Алфа-SiC е най-често срещаният полиморф на силициевия карбид, който се характеризира с хексагонална кристална структура, подобна на вурцитната. Формите на Beta-SiC с диамантено кубична кристална структура се срещат най-често в метеорити; освен това тази форма често се използва за промишлено производство чрез процеси на топене и леене за получаване на различни продукти.

Химични свойства

Силициевият карбид е здрава неоксидна керамика със забележителни физични и химични свойства: висока твърдост и твърдост, ниски стойности на термично разширение и изключителна устойчивост на корозия. Освен това широката му лента на пропускане го прави подходящ за приложения в електрониката с висока мощност.

Водата, алкохолът и повечето киселини, с изключение на флуороводородната киселина и киселинните флуориди, не го разтварят, което осигурява по-добра химическа стабилност в сравнение с повечето други огнеупорни керамики.

Силициевият карбид е синтезиран за първи път по изкуствен път от Едуард Ачесън през 1891 г. като случаен страничен продукт от нагрятата му с електричество стопилка на въглерод и алуминий и се превръща в една от най-важните индустриални керамики в света, използвана като абразивен материал за стоманени сплави, както и като структурна керамика.

Силициевият карбид притежава плътно подредена тетраедрична структура, ковалентно свързана помежду си. Разнообразието от последователности на подреждане води до различните му политипове - всеки от тях се отличава с различни физични и химични свойства.

Алфа-формата (a-SiC) се характеризира с хексагонална кристална структура, подобна на вурцит, докато бета-версията (b-SiC) показва кристална структура на цинков бленд, подобна на диамант. И двете разновидности на SiC могат да се обработват лесно с ограничени ограничения по отношение на твърдостта и да се шлифоват в различни форми за използване като абразивни продукти или огледала в телескопи, които са популярни приложения на тези материали.

Електрически свойства

Силициевият карбид е полупроводников материал, което означава, че притежава някои характеристики, характерни както за металите (които провеждат електричество), така и за неметалите, например изолатори (които се противопоставят на потока на електричество). Точното естество на електрическите му свойства зависи от температурата и евентуалните примеси в кристалната му структура - при по-ниски температури той действа по-скоро като изолатор, който се съпротивлява на потока на електричество, докато при по-високи температури става по-скоро проводник и позволява преминаването на електричество през него.

Кристалната структура на SiC се състои от слоеве, съставени от силициеви и въглеродни атоми, свързани в тетраедрична конфигурация. Тези плътно подредени слоеве образуват плътно подредена структура, която води до различни кристални структури, наречени политипове; всеки политип има един и същ химичен състав, но различни кристални структури, които влияят на електрическите му свойства. Последователността на подреждане на слоевете на всеки политип може да доведе до кубична, хексагонална или ромбоидна кристална структура.

SiC е привлекателен материал за високоволтови енергийни устройства поради тетраедричната си кристална структура и широката си електронна лента, което го прави особено подходящ за диоди и транзистори. По-широката електронна лентова междина на SiC му позволява да издържа на по-високи пробивни електрически полета в сравнение със силиция, като същевременно има намалени загуби при превключване, което спомага за подобряване на енергийната ефективност. Освен това проводимостта на порестия силициев карбид може да се модифицира чрез допирането му с примеси, за да се постигне както по-висока проводимост, така и възможност за повишаване на напрежението за използване в ефективни преобразуватели на енергия за електромобили.

Механични свойства

Силициевият карбид е изключително твърд, химически инертен материал, който се среща в природата под формата на черни диаманти с твърдост по Моос 9. Той има много благоприятни свойства, включително температурна стабилност, ниски стойности на термично разширение и устойчивост на химически атаки, което го прави идеален за полупроводникови материали.

Литиевият оксид е изключителен електрически изолатор с изключителен коефициент на устойчивост на напрежение, който е десет пъти по-голям от този на силиция, което го прави все по-привлекателна опция като материал за замяна на силиция в силовата електроника и други приложения с висока мощност.

SiC се произвежда с помощта на различни полиморфни кристални структури, всяка от които има специфично разположение на атомите. Три често срещани произвеждани политипа SiC са 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC; те се различават по последователността на подреждане на слоевете, което води до различни физични и механични свойства.

Неотдавнашни изследвания, проведени върху единични SiC нанопроводници с различни структурни съотношения на заемане на ODD, бяха тествани на място на опън чрез SEM, за да се оценят тяхната якост и еластичност, модулът на срязване, изчисленията на съотношението на Поасон за всяка фаза, анализът на механичната анизотропия разкриха, че Pm-SiC има по-силно поведение на срязване в сравнение с b-SiC и Pnnm-SiC NWs съответно; освен това якостта се увеличава с увеличаване на съотношението на заемане на ODD до достигане на 32,6%, където якостта започва да намалява експоненциално.