Estructura del carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un material sintético ultraduro sintetizado por primera vez en 1891 por Edward Acheson en un horno calentado con carbono y alúmina. Desde su lanzamiento a la industria como abrasivo industrial en la década de 1920, el SiC se ha convertido rápidamente en uno de los materiales más solicitados a gran escala.

El SiC se presenta en varias estructuras cristalinas conocidas como politípos; para aplicaciones de alta potencia, el politípo de estructura atómica hexagonal 4H-SiC es el mejor.

Propiedades físicas

El carburo de silicio es una cerámica fina con diversas propiedades físicas que lo convierten en uno de los materiales refractarios más versátiles del mercado. Desde su solidez, dureza, resistencia a la corrosión y alto punto de fusión hasta su versatilidad en aplicaciones de ingeniería extremas -como cojinetes de bombas, válvulas, inyectores de chorro de arena y matrices de extrusión-, el carburo de silicio ha demostrado ser un elemento vital para los dispositivos electrónicos modernos. Además de estas impresionantes características mecánicas, el carburo de silicio ofrece importantes capacidades semiconductoras como ingrediente indispensable.

El carburo de silicio puro es una sustancia cristalina incolora con una densidad de 3,21g/mL y un punto de fusión que supera los 2700degC. Suele producirse mediante el proceso Acheson, en el que se combinan arena de sílice y coque y se calientan a altas temperaturas en un horno eléctrico hasta que la arena de sílice se carboniza para formar estructuras de cristal grueso como el a-SiC, mientras que en los lingotes de b-SiC se forman estructuras cúbicas de diamante.

El alfa-SiC es el polimorfo más frecuente del carburo de silicio, con una estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita. Las formas Beta-SiC con estructuras cristalinas cúbicas de diamante se encuentran con mayor frecuencia en meteoritos; además, esta forma se utiliza con frecuencia en la producción industrial mediante procesos de fusión y fundición para fabricar diversos productos.

Propiedades químicas

El carburo de silicio es una cerámica resistente no oxidada con notables propiedades físicas y químicas: gran dureza y rigidez, bajos índices de dilatación térmica y excepcional resistencia a la corrosión. Además, su amplia banda prohibida lo hace idóneo para aplicaciones electrónicas de alta potencia.

El agua, el alcohol y la mayoría de los ácidos, excepto el ácido fluorhídrico y los fluoruros ácidos, no la disuelven, lo que le confiere una estabilidad química superior a la de la mayoría de las demás cerámicas refractarias.

El carburo de silicio fue sintetizado artificialmente por primera vez por Edward Acheson en 1891 como subproducto accidental de su fusión de carbono y alúmina calentada eléctricamente, y se ha convertido en una de las cerámicas industriales más importantes del mundo, utilizada tanto como material abrasivo para aleaciones de acero como cerámica estructural.

El carburo de silicio posee una disposición tetraédrica apretada unida por enlaces covalentes. Una variedad de secuencias de apilamiento da lugar a sus diversos politípos, cada uno de los cuales se distingue por propiedades físicas y químicas distintas.

La forma alfa (a-SiC) presenta una estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita, mientras que su versión beta (b-SiC) exhibe una estructura cristalina de zinc blenda similar al diamante. Ambas variedades de SiC se pueden mecanizar fácilmente con restricciones de dureza limitadas, y se esmerilan en diversas formas para su uso como productos abrasivos o espejos en telescopios, siendo las aplicaciones populares de estos materiales.

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio es un material semiconductor, lo que significa que presenta algunas características que se encuentran tanto en los metales (que conducen la electricidad) como en los no metales, como los aislantes (que resisten el flujo eléctrico). La naturaleza exacta de sus propiedades eléctricas depende de la temperatura y de las impurezas presentes en su estructura cristalina: a bajas temperaturas actúa más como un aislante que resiste el flujo eléctrico, mientras que a altas temperaturas se convierte en un conductor que permite el paso de la electricidad.

La estructura cristalina del SiC está formada por capas de átomos de silicio y carbono unidos en configuraciones tetraédricas. Estas capas estrechamente empaquetadas forman una estructura compacta que da lugar a diferentes estructuras cristalinas denominadas politípos; cada politípo tiene la misma composición química pero diferentes estructuras cristalinas que afectan a sus propiedades eléctricas. La secuencia de apilamiento de las capas de cada polipo puede dar lugar a estructuras cristalinas cúbicas, hexagonales o romboédricas.

El SiC es un material atractivo para los dispositivos de potencia de alto voltaje por su estructura cristalina tetraédrica y su amplia banda de separación electrónica, que lo hacen especialmente adecuado para diodos y transistores. La mayor brecha de banda electrónica del SiC le permite soportar campos eléctricos de ruptura más elevados que el silicio, al tiempo que reduce las pérdidas de conmutación, lo que contribuye a mejorar la eficiencia energética. Además, la conductividad del carburo de silicio poroso puede modificarse dopándolo con impurezas para conseguir una conductividad y una capacidad de voltaje mayores para su uso en convertidores de potencia eficientes para vehículos eléctricos.

Propiedades mecánicas

El carburo de silicio es un material extremadamente duro y químicamente inerte que se encuentra en la naturaleza en forma de diamantes negros con una dureza Mohs de 9. Tiene muchas propiedades ventajosas, como estabilidad térmica, bajos índices de expansión térmica y resistencia a los ataques químicos, lo que lo hace perfecto como material semiconductor.

El óxido de litio es un aislante eléctrico excepcional con un factor de resistencia a la tensión diez veces superior al del silicio, lo que lo convierte en una opción cada vez más atractiva como material sustitutivo del silicio para la electrónica de potencia y otras aplicaciones de alta potencia.

El SiC se fabrica utilizando varias estructuras cristalinas polimórficas, cada una con su propia disposición específica de átomos. Los tres tipos más comunes de SiC son el 3C-SiC, el 4H-SiC y el 6H-SiC; se diferencian por la secuencia de apilamiento de las capas, lo que se traduce en propiedades físicas y mecánicas distintas.

Investigaciones recientes sobre nanocables de SiC con diferentes ratios de ocupación estructural de ODD se sometieron a ensayos de tracción in situ mediante SEM para evaluar su resistencia y elasticidad, el módulo de cizallamiento, los cálculos de la relación de Poisson de cada fase y el análisis de anisotropía mecánica revelaron que el Pm-SiC tiene un comportamiento de cizallamiento más fuerte en comparación con los NWs de b-SiC y Pnnm-SiC respectivamente; además, la resistencia aumentó con el incremento de la relación de ocupación de ODD hasta alcanzar 32,6%, donde la resistencia comenzó a disminuir exponencialmente a partir de entonces.