Chemische Formel für Siliziumkarbid

Siliziumkarbid (SiC) ist eine extrem harte, synthetisch hergestellte kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die im Volksmund auch als Karborund bezeichnet wird.

Mit einer Mohshärte von 9 ist er ähnlich hart wie Diamant und kann als Schleifmittel und in feuerfesten Produkten wie Ofenauskleidungen verwendet werden.

Silizium ist ein weiteres Material mit großem Potenzial für Hochleistungsanwendungen und bietet zahlreiche Polytypen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen.

Chemische Formel

Siliziumkarbid (SiC) ist eine synthetisch hergestellte, extrem harte kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff mit der chemischen Formel SiC. Erstmals von Henri Moissan im Devil's Canyon, Arizona, in der Natur entdeckt und später von dem amerikanischen Erfinder Edward Acheson 1891 mit Hilfe von elektrischer Hitze synthetisiert, wobei fein gemahlene Siliziumatome mit Kohlenstoffatomen verschmolzen werden - dieses Verfahren wird heute zur Herstellung von industriellen Schleifmitteln wie Sandpapier und Schleifscheiben verwendet; außerdem werden feuerfeste Auskleidungen für Öfen verwendet; in der Halbleiterelektronik, die hohe Temperaturen oder Spannungen erfordert, wird es in großem Umfang eingesetzt; kommt in der Natur als Moissanit vor.

Siliciumcarbid hat eine endotherme Standard-Enthalpieänderung pro Mol von 1124,9 kJ/mol, ein extrem positiver Wert, der auf eine exotherme Reaktion hinweist. Siliciumcarbid kann mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden; eine gängige Methode ist das Mischen von reinem Quarzsand (SiO2) mit Koks in einem elektrischen Lichtbogenofen bei hohen Temperaturen, um Blöcke aus Siliciumcarbid zu bilden, die weiter zerkleinert und durch Zerkleinern, Säure-Base-Waschen, magnetische Trennung, Sieben oder Wassertrennungstechniken weiter verfeinert werden.

Reines Siliciumcarbid hat eine farblose Dichte von 3,21 g/cm3 und sublimiert bei 2700 Grad Celsius; es ist unlöslich in Wasser. In der Praxis bilden sich jedoch aufgrund von Verunreinigungen bei der industriellen Herstellung von Siliciumcarbid (z. B. Eisen oder andere Spurenelemente) in der Regel gelb bis grün bis bläulich-schwarz schillernde Kristalle. In seiner reinsten Form wirkt Siliciumcarbid als elektrischer Isolator, aber durch Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor kann es zum n-Typ gemacht werden, während Beryllium oder Aluminium es zum p-Typ machen und Halbleitereigenschaften in Halbleiteranwendungen erzeugen können.

Es gibt mehr als 250 kristalline Strukturen von Siliciumcarbid, die durch ihre Stapelanordnung von Silicium- und Kohlenstoffatomen definiert sind. Diese Polytypen von Siliciumcarbid unterscheiden sich in ihrer Sprödigkeit, Härte, Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Reaktionen und Duktilität - von der diamantartigen rhombischen Form (bekannt als 3/SiC), die extrem hart und spröde ist, bis zur duktilen glasartigen amorphen Form, die als 2/SiC bekannt ist.

Physikalische Eigenschaften

Siliciumcarbid (SiC) ist ein industrielles mineralisches kristallines Material, das sowohl keramische als auch halbleitende Eigenschaften aufweist. SiC ist bekannt für seine Kombination aus Härte und Festigkeit und eignet sich aufgrund seiner anderen physikalischen Eigenschaften für viele Hochtemperatur- und Schleifanwendungen, darunter Schleifmittel für das Schleifen von Metallen sowie feuerfeste Öfen, Schneidwerkzeuge, Schleifpapier, Teile für Düsentriebwerke und LED-Glühbirnen als Substrat. SiC wird häufig in diesen Bereichen eingesetzt.

SiC ist eine anorganische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff mit einer Mohs'schen Härteskala von 9. Es bildet graue bis braune Festkörper, die zur Gruppe der Karbide gehören; zu den natürlichen Formen gehört Moissanit. Reines SiC bildet farblose Kristalle, während Verunreinigungen wie Stickstoff oder Aluminium grüne oder blaue Farbtöne in seiner Kristallform erzeugen.

Aufgrund seiner extremen Härte, seiner chemischen Inertheit und seines geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist Polycarbonat sehr korrosionsbeständig. Bei Temperaturen von bis zu 1400 Grad Celsius verliert es nicht an mechanischer Festigkeit und eignet sich daher hervorragend für Komponenten, die in rauen Umgebungen arbeiten müssen, wie z. B. Wärmetauscher und Flammenzünder.

Siliciumcarbid kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, die eine breite Palette von inneren und äußeren Mikrostrukturen hervorbringen, typischerweise Variationen der Stöchiometrie. Am häufigsten sind hexagonale tetraedrische (a-SiC) und kubische Strukturen (b-SiC) zu sehen, aber auch davon abgeleitete Polytypen können kombiniert werden, um unterschiedliche physikalische und elektrische Eigenschaften zu erzielen.

Die chemische Bindung von Siliciumcarbid zwischen Si und C bildet starke kovalente tetraedrische Bindungen, die für starke kovalente Bindungen zwischen den einzelnen Tetraedern sorgen und sie in polaren Strukturen verbinden und stapeln, die diesem Material seine elektrischen Eigenschaften verleihen. Siliciumcarbid selbst ist ein hervorragender Isolator, kann aber bei sorgfältiger Dotierung oder Einbringung von Verunreinigungen oder Dotierstoffen Halbleitereigenschaften aufweisen; es lässt weder einen freien Stromfluss zu, noch stößt es ihn vollständig ab wie Aluminiumoxid oder Borkarbid, so dass ein Mittelweg zwischen beiden geschaffen wird, der Siliciumcarbid zu einem unschätzbaren Vorteil bei der Verwendung in der Weltraumforschung und bei der Öl- und Gasförderung in der Tiefe gemacht hat. Dieses Material hat sich bei einer Reihe von anspruchsvollen Weltraumforschungsprojekten sowie bei der Öl- und Gasförderung in der Tiefe weltweit bewährt.

Mechanische Eigenschaften

Siliciumcarbid, ein keramisches Nichtoxidmaterial, ist eines der härtesten, stärksten und fortschrittlichsten Materialien, das in Produkten wie Schleifmitteln, feuerfesten Materialien, Keramiken und anderen verwendet wird. Aufgrund seiner größeren Bandlücke wird es auch in elektronischen Bauteilen verwendet.

Edward Acheson schrieb Geschichte, als er 1891 Diamantpulver für industrielle Schleifmittel künstlich herstellte, indem er in einer elektrisch erhitzten Schmelze aus Kohlenstoff und Tonerde kleine schwarze Kristalle entdeckte. Acheson mahlte diese Kristalle zu Pulver für die Verwendung als industrielle Schleifmittel. Achesons Entdeckung wurde von dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Chemiker Henri Moissan bestätigt, als er 1905 in einem Canyon-Diablo-Meteoriten in Arizona transparente Formen des Minerals Moissanit entdeckte.

Siliciumcarbid wird derzeit durch Erhitzen von Aluminiumoxid und Siliciumdioxid bei hohen Temperaturen unter kontrollierten Bedingungen hergestellt und dann zu Blöcken oder Pellets geformt, die in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Die ultraharte Oberfläche von Siliziumkarbid eignet sich zum Schleifen, Schneiden, Bohren und Fräsen, während seine Wärmeleitfähigkeit für eine hohe Wärmeleitfähigkeit und seine chemische Beständigkeit für eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit sorgt.

Die Eigenschaften von Siliziumkarbid haben es zum idealen Werkstoff für große astronomische Teleskope und Subsysteme von Raumfahrzeugen, einschließlich Spiegeln, gemacht. Aufgrund seiner Steifigkeit und seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten eignet es sich hervorragend als Grundmaterial, da es sich bei Temperaturschwankungen weder ausdehnt noch zusammenzieht.

Die hervorragende Abrieb- und Schlagfestigkeit macht Keramik zu einem ausgezeichneten Werkstoff für Verschleißanwendungen wie Schleifscheiben und Strahlrohre, während seine Festigkeit es auch für feuerfeste und keramische Komponenten wie Ofenauskleidungen und verschleißfeste Beschichtungen geeignet macht.

Die große Bandlücke von Siliziumkarbid ermöglicht eine effizientere Stromleitung als bei anderen Halbleitern, da die Elektronen weniger Energie für den Übergang vom Valenzband in das Leitungsband benötigen. Außerdem kann es dank dieser Effizienzsteigerung höhere Spannungen und Frequenzen besser bewältigen als konkurrierende Materialien, da sich dank der größeren Energielücke mehr Elektronen auf einmal bewegen können.

Elektrische Eigenschaften

Siliziumkarbid verfügt über einzigartige elektrische Eigenschaften, die es für zahlreiche Hochleistungsschaltungen geeignet machen. In reinem Zustand wirkt Siliciumcarbid wie ein elektrischer Isolator; durch Hinzufügen kleiner Mengen von Verunreinigungen - insbesondere durch Aluminiumdotierung - kann es jedoch Halbleitereigenschaften aufweisen. Insbesondere wird durch die Dotierung mit Aluminium ein Halbleitermaterial vom p-Typ geschaffen.

Die Eigenschaften von Halbleitern mit breiter Bandlücke sind besonders vorteilhaft bei Anwendungen, die hohe Spannungen erfordern, wie z. B. in der Leistungselektronik und anderen Energieanwendungen. Diese Halbleiter können einer zehnmal höheren elektrischen Feldstärke standhalten als normale Silizium-Halbleiter und eignen sich daher für Geräte, die extremen Spannungen ausgesetzt sind.

SiC ist ein attraktives Material, da es bei gleicher Spannung einen höheren Widerstand gegen den Stromfluss aufweist als Silizium. Dadurch wird der Energieverlust in Form von Wärme in den Geräten erheblich verringert und kostspielige aktive Kühlsysteme, die das Gewicht, die Komplexität und die Kosten eines Produkts erhöhen, werden überflüssig.

Die geringe Wärmeausdehnung von Siliziumkarbid macht es zu einem begehrten Spiegelmaterial für große astronomische Teleskope, wo es zu Scheiben von bis zu 3,5 m (11 Fuß) verarbeitet werden kann. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner Haltbarkeit, Steifigkeit und hervorragenden Wärmeleitfähigkeit hervorragend als Basismaterial für elektronische Bauteile in Umgebungen, in denen Vibrationen Schäden verursachen können.

Silizium ist nach wie vor das beliebteste Halbleitermaterial in der modernen Elektronik, doch seine Hochleistungsanwendungen beginnen, ihre Grenzen aufzuzeigen. Siliziumkarbid bietet mehrere Vorteile, die diese Unzulänglichkeiten beheben, darunter seine Halbleitereigenschaft mit großer Bandlücke - definiert als die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus der Umlaufbahn um einen Kern zu befreien; gemessen in Elektronenvolt oder eV. Siliziumkarbid hat einen Elektronenvoltwert, der fast dreimal so hoch ist wie der von herkömmlichem Silizium.

Siliziumkarbid kommt in der Natur in Form des extrem seltenen Minerals Moissanit vor, das in der Regel in winzigen Mengen in Meteoriten, Korundvorkommen und Kimberlit vorkommt. Seit 1893 wird es in Pulverform für die Verwendung als Schleifmittel kommerziell hergestellt, wobei es häufig mit anderen Körnern kombiniert wird, um harte Keramiken zu bilden, die mit jedem Korn verbunden sind, um zähe, dauerhafte Verbindungen zu bilden, wie z. B. Bremsen und Kupplungen für Autos sowie Keramikplatten für kugelsichere Westen und Leuchtdioden als Detektoren in frühen Radios.