Wie man Siliziumkarbid-Momossanit herstellt

Der Moissanit ist ein außergewöhnlicher Edelstein, der mit mehr Feuer und Brillanz als ein Diamant funkelt. Seit seiner Entdeckung vor über 100 Jahren hat seine fesselnde Schönheit Juweliere in ihren Bann gezogen.

Der Franzose Henri Moissan war der erste, der Moissanit in Meteoriten und Kimberliten entdeckte, obwohl der meiste Moissanit in Schmuckqualität heute im Labor mit einem fortschrittlichen thermischen Verfahren hergestellt wird.

Lely-Prozess

Siliziumkarbid (SiC) ist ein relativ neues Halbleiter-Basismaterial; seine vielversprechenden Eigenschaften für Leistungs- und HF-Anwendungen wurden jedoch schon früh erkannt. Ein geeignetes Herstellungsverfahren wurde erst in den 1970er Jahren etabliert; heute ist jedoch das Lely-Verfahren das gängige Herstellungsverfahren für SiC-Substrate. Dabei werden Einkristalle bei kontrollierter Hochtemperaturumgebung unter Verwendung von hochreinem Si und Kohlenstoff gezüchtet, um Einkristalle zu bilden, die dann als Barren mit bestimmter Reinheit, Stöchiometrie, Korngrößenverteilung sowie elektrischen Parametern wie Leitfähigkeitseigenschaften gezüchtet werden.

Diese Produktionsmethode spiegelt die natürliche Entstehung von Moissanit wider, indem große Kristalle über mehrere Monate in einer inerten Atmosphäre gebildet werden, was den natürlichen Entstehungsprozess nachahmt. Das Ergebnis sind Kristalle mit wünschenswerten physikalischen Eigenschaften wie geringer Wärmeausdehnung und guter Steifigkeit - ideale Eigenschaften für Heizelemente zum Beispiel.

Moissanit kann in zwei Schritten hergestellt werden. Zunächst muss Siliziumkarbid synthetisiert werden. Dazu wird ein Gemisch aus reinem Quarzsand und Petrolkoks in einem Lichtbogenofen erhitzt, wobei dichtes Siliciumcarbid entsteht, das der Struktur von Moissanit ähnelt.

Nach der anfänglichen Synthese des Rohmaterials werden weitere Prozesse durchgeführt, um es in ein kristallines Substrat zu verwandeln. Dazu gehören die Entkohlung, die Kristallisation und die Entfernung von Verunreinigungen, um Kristalle mit hohen Leistungseigenschaften wie einem hohen Brechungsindex und einer geringen Wärmeausdehnung zu erhalten.

Dieses Verfahren basiert auf der Lely-Methode, die 1955 von dem Chemiker Lely erfunden wurde. Dabei wird Siliciumcarbid verdampft und kondensiert, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen; dies führte jedoch zu Schwierigkeiten bei der Kontrolle von Verunreinigungen. In den frühen 1980er Jahren entdeckte ein anderer Chemiker namens Davis einen Weg, die Verunreinigungen zu kontrollieren, indem er Siliziumdampfkarbid auf 2500 Grad Celsius erhitzte und dann in einer Argongasatmosphäre abkühlte; dabei entstanden klare und farblose Kristalle, die nach ihrem Entdecker Henri Moissan als Moissanit bekannt wurden.

Wachstum des Flusses

Siliciumcarbid ist ein extrem hartes Mineral mit einer Härte von 9 auf der Mohs-Skala und damit eines der härtesten Mineralien der Erde. Aus Siliciumcarbid können kugelsichere Westen und Keramikplatten hergestellt werden; außerdem wird es häufig bei Schneidanwendungen als Schleifmittel eingesetzt. Dank seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist Siliciumcarbid auch bei hohen Temperaturen gut einsetzbar.

Moissanit ist ein aus Siliziumkarbid bestehender Edelstein, der erstmals 1893 von Henri Moissan entdeckt und nach ihm benannt wurde. Moissanit ist zwar selten, kommt aber nur in Eisen-Nickel-Meteoriten oder einigen ultramafischen Eruptivgesteinen vor. Zunächst gab es Zweifel an seiner Entdeckung, da einige davon ausgingen, dass die Proben von Sägeblättern verunreinigt sein könnten, die zum Schneiden von Meteoriten verwendet wurden. Dieses Argument wurde jedoch inzwischen widerlegt, da Dr. Henri Moissan bei der Präparation seiner Proben selbst ausschließlich Siliziumkarbidblätter verwendete!

Der größte Teil des heute hergestellten synthetischen Moissanits ist synthetisch; die meisten Hersteller verwenden zur Herstellung die Flussmittelmethode. Dabei wird ein Gemisch aus Siliziumkarbidpulver und Flussmittel auf hohe Temperaturen erhitzt und dann langsam abgekühlt, bis es an einem Impfkristall kristallisiert und Moissanit entsteht, der seinem natürlichen Gegenstück verblüffend ähnlich ist.

Das PVT-Verfahren (Physical Vapor Transport) bietet eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von synthetischem Moissanit. Dabei wird Siliziumkarbid im Vakuum sublimiert, bevor es auf Impfkristalle aufgebracht wird. So entstehen mehrere Kristalle auf einmal, deren Größe sich leicht kontrollieren lässt.

Moissanit-Schmuck kann für Personen, die sich ein auffälliges Stück mit einzigartiger Farbe und Klarheit wünschen, erschwinglicher sein als sein diamantenes Gegenstück, da sein Preis durch die Millimetergröße und nicht durch das Karatgewicht bestimmt wird. Außerdem wiegt Moissanit 15% weniger als Diamanten, so dass Sie für den gleichen Preis eher größere Stücke erhalten.

PVT (physikalischer Dampftransport)

PVT-Tests ermöglichen es den Fertigungsteams, sicherzustellen, dass jeder Chip in Bezug auf Temperatur- und Leistungsspezifikationen, Risikomanagementprotokolle, verkaufsfähiges Produktdesign und Massenproduktionskapazitäten die bestmögliche Leistung erbringt. Darüber hinaus ermöglicht PVT den Teams, Produkte zu optimieren oder notwendige Änderungen vor der Massenproduktion vorzunehmen sowie andere Tests wie ALC- oder Vibrationstests durchzuführen.

Siliziumkarbid (SiC) ist ein industrielles Material mit zahlreichen Anwendungen in der Elektronik. Als Halbleiter mit breiter Bandlücke und hervorragender thermischer Stabilität und Durchbruchsspannung wird SiC in Bauelementen wie MOSFETs und Schottky-Dioden verwendet, die seine Leistungsfähigkeiten ausnutzen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und der für verbesserte elektrische Eigenschaften erforderlichen Dotierung muss dieses Material möglicherweise noch weiter modifiziert werden, bevor es in Bauteilen mit höheren Temperaturen wie Gasturbinen eingesetzt werden kann.

Die physikalische Dampftransporttechnik (PVT) kann ein wirksames Mittel zur Herstellung großer, hochwertiger Siliciumcarbidkristalle sein. Bei diesem Verfahren wird geschmolzener Siliziumkohlenstoff aus einem Graphittiegel bei hoher Temperatur durch ein poröses Barriereelement geleitet, bis er sublimiert; dann passiert sein Dampf dieses Barriereelement, bevor er sich auf Impfkristallen ablagert. Als Barriere kann jedes Material dienen, das porös genug ist, um Siliziumdampf durchzulassen.

Moissanit, der gemeinhin als Nebenprodukt des Minerals bezeichnet wird, weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf und kann in verschiedene Formen gezüchtet werden. Moissanit ist äußerst kratz- und abriebfest und gehört mit einer Härte von 9,25 auf der Mohs-Skala zu den härtesten Mineralien überhaupt. Er ist sehr widerstandsfähig und hält Rissen oder Brüchen stand, ohne im Laufe der Zeit Schaden zu nehmen.

Obwohl Moissanit kein weit verbreitetes Mineral ist, kommen geringe Mengen in bestimmten Meteoriten und Korund, einer anderen Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, vor. Aufgrund seiner hexagonalen Kristallstruktur und seines stabilen Verhaltens bei hohen Temperaturen lässt sich Moissanit leicht in verschiedene Formen gießen, die sich auch für Schmuckanwendungen eignen.

Chemische Gasphasenabscheidung

Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) ist eine innovative Technik zur Abscheidung nichtflüchtiger fester Schichten auf Substraten. Das Verfahren kann zur Herstellung von Halbleiterscheiben, Siliziumkarbid und anderen Materialien eingesetzt werden; die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Herstellung von Halbleiterscheiben bei erhöhten Temperaturen bis hin zu Umgebungen mit atmosphärischem Druck. Vorläufergase adsorbieren und reagieren an der Oberfläche eines Wafers, um das gewünschte Material zu bilden, das seiner Kristallstruktur entspricht, mit hochdichten Ergebnissen, die auch in die gewünschte Form gebracht werden können.

Die CVD-Technologie hat zahlreiche Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik und Katalyse - von der Herstellung einkristalliner Silizium-Epitaxieschichten bis hin zur Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und nanoelektromechanischen Systemen (NEMS). Leider ist die Verwendung von SiC bei der Herstellung von MEMS/NEMS-Bauelementen aufgrund der hohen Temperaturen, die für die Züchtung erforderlich sind, nur begrenzt möglich, aber es werden derzeit Studien zur Entwicklung von CVD-Verfahren mit niedrigen Temperaturen für diese Anwendungen durchgeführt.

Moissanit ist eine Form von Siliziumkarbid, die in Labors mit verschiedenen Techniken hergestellt wird. Als eines der härtesten Mineralien der Erde mit einer Mohshärte von 9,25 hat Moissanit aufgrund seiner ähnlichen thermischen und elektrischen Eigenschaften als Alternative zu Diamant an Bedeutung gewonnen; daher sein Spitzname "Diamantenersatz". Moissanit zeichnet sich durch eine hervorragende Haltbarkeit aus, die Kratzer oder Schnitte verhindert. Außerdem ist er aufgrund seiner Farbvielfalt zu einer beliebten alternativen Schmuckwahl geworden.

Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) ist das bevorzugte Verfahren zur Herstellung von Moissanit. Bei dieser Technik wird ein Gemisch aus Silizium und Kohlenstoff auf eine extrem hohe Temperatur erhitzt, bevor das Gas in eine Vakuumkammer geleitet wird, um Siliziumkarbidkristalle zu bilden. CVD bietet viele Vorteile gegenüber anderen Herstellungsmethoden für Moissanit.

Synthetischer Moissanit kann auch in einem Labor synthetisch hergestellt werden und stellt eine wirtschaftliche Alternative zu natürlichem Diamant dar. Mit einer ähnlichen chemischen Zusammensetzung und Farboptionen wie Blau-, Grün-, Rot- und Grautönen bietet er die gleiche optische Durchlässigkeit wie natürlicher Diamant - was synthetischen Moissanit zu einem hervorragenden Kandidaten für optische Beschichtungsanwendungen macht.