Kā izgatavot silīcija karbīda momosanītu

Moisanīts izceļas kā izcils dārgakmens, kas mirdz ar lielāku uguns un mirdzumu nekā dimants. Kopš tā atklāšanas pirms vairāk nekā 100 gadiem, tā valdzinošais skaistums ir sajūsminājis juvelierus.

Francijā dzīvojošais Anrī Moisāns (Henri Moissan) pirmais atklāja moisanītu meteorītos un kimberlītos, lai gan mūsdienās lielākā daļa juvelierizstrādājumu moisanīta ir laboratoriski radīti, izmantojot modernu termisko metodi.

Lely process

Silīcija karbīds (SiC) ir salīdzinoši jauns pusvadītāju bāzes materiāls, tomēr tā perspektīvās iespējas jaudas un RF lietojumos tika ātri apzinātas. Tomēr mūsdienās Lely process ir SiC substrātu ražošanas metode, kas ietver monokristālu audzēšanu kontrolētā augsttemperatūras vidē, izmantojot ļoti tīru Si un oglekli, lai veidotu monokristālus, kurus pēc tam audzē kā lietņus ar noteiktu tīrību, stehiometriju, graudu lieluma sadalījumu, kā arī elektriskos parametrus, piemēram, vadītspējas īpašības.

Šī ražošanas metode atspoguļo moisanīta dabisko veidošanos, vairākus mēnešus veidojot lielus kristālus inertā atmosfērā, tādējādi atdarinot dabiskos veidošanās procesus. Tādējādi tiek iegūti kristāli ar vēlamām fizikālām īpašībām, piemēram, zemu termisko izplešanos un labu stingrību, kas ir ideālas īpašības, piemēram, sildelementiem.

Moisanītu var izveidot divos posmos. Vispirms ir jāsintezē silīcija karbīds. To var izdarīt, elektriskā loka krāsnī karsējot tīru silīcija kvarca smilšu un naftas koksa maisījumu, tādējādi iegūstot blīvu silīcija karbīda materiālu, kas ir līdzīgs moisanīta struktūrai.

Pēc izejmateriāla sākotnējās sintēzes tiek īstenoti papildu procesi, lai to pārveidotu kristāliskā substrātā. Tie ietver dekarbonizāciju, kristalizāciju un piemaisījumu attīrīšanu, lai galu galā iegūtu kristālus ar tādām īpašībām kā augsts refrakcijas koeficients un zema termiskā izplešanās.

Šā procesa pamatā ir Lely metode, ko 1955. gadā izgudroja ķīmiķis Lely. Tā ietver silīcija karbīda iztvaicēšanu un kondensāciju, nepāriet šķidrā stāvoklī; tomēr tas radīja grūtības kontrolēt piemaisījumus. Astoņdesmito gadu sākumā cits ķīmiķis Deiviss atklāja veidu, kā kontrolēt piemaisījumus, karsējot silīcija tvaiku karbīdu līdz 2500 grādiem pēc Celsija un pēc tam atdzesējot argona gāzes atmosfērā; tā tika iegūti dzidri un bezkrāsaini kristāli, kurus sāka dēvēt par moisanītu pēc to atklājēja Anrī Moisana (Henri Moissan) vārdiem.

Plūsmas pieaugums

Silīcija karbīds ir ārkārtīgi ciets minerāls, kura cietība pēc Mosa skalas ir 9, un tas ir viens no cietākajiem minerāliem uz zemes. No silīcija karbīda var izgatavot ložu necaurlaidīgas vestes un keramikas plāksnes; turklāt to bieži izmanto griešanai kā abrazīvu. Turklāt silīcija karbīds nodrošina labu darbību augstās temperatūrās, pateicoties tā zemajam termiskās izplešanās koeficientam.

Moisanīts ir dārgakmens, kas sastāv no silīcija karbīda, kuru 1893. gadā pirmo reizi atklāja Anrī Moisāns un nosauca viņa vārdā. Lai gan moisanīts ir rets, to var atrast tikai dzelzs-niķeļa meteorītos vai dažos ultramāfiskā vulkāna veidojumos. Sākotnēji par tā atklāšanu bija šaubas, jo daži uzskatīja, ka tā paraugi varētu būt piesārņoti ar zāģa asmeņiem, ko izmantoja meteorītu griešanai, tomēr šis arguments ir atspēkots, jo Dr. Henri Moissan, gatavojot paraugus, pats izmantoja tikai silīcija karbīda asmeņus!

Lielākā daļa mūsdienās ražoto sintētisko moisanītu ir sintētiski; lielākā daļa ražotāju ražošanā izmanto plūsmas augšanas metodi. Tā ietver silīcija karbīda pulvera un fluksa maisījuma karsēšanu augstā temperatūrā, pēc tam to pakāpeniski lēni atdzesējot, līdz notiek kristalizācija uz sēklas kristāla un rodas moisanīts, kas ir pārsteidzoši līdzīgs tā dabiskajam analogam.

PVT (fizikālā tvaiku pārneses) process piedāvā vēl vienu veidu, kā ražot sintētisko moizanītu. Tas ietver silīcija karbīda sublimāciju vakuumā pirms tā nogulsnēšanas uz sēklas kristāliem, radot vairākus kristālus vienlaicīgi un viegli kontrolējot to lielumu.

Moisanīta rotaslietas var būt pieejamākas cilvēkiem, kuri vēlas uzmanību piesaistošu rotaslietu ar unikālu krāsu un dzidrumu, nekā tā dimanta ekvivalents, jo tā cenu nosaka nevis karātu svars, bet gan milimetru izmērs. Turklāt moisanīts sver 15% mazāk nekā dimanti, tāpēc ir lielāka iespēja iegūt lielākus izstrādājumus par to pašu cenu.

PVT (fizikālā tvaiku pārnese)

PVT testēšana ļauj ražošanas komandām nodrošināt, ka katra mikroshēma darbojas maksimāli efektīvi, ņemot vērā temperatūras un jaudas specifikācijas, riska pārvaldības protokolus, pārdodamu produktu dizainu un masveida ražošanas jaudu. Turklāt PVT ļauj komandām pirms masveida ražošanas uzlabot produktus vai veikt nepieciešamās modifikācijas, kā arī veikt citus testus, piemēram, ALC vai vibrācijas testus.

Silīcija karbīds (SiC) ir rūpniecisks materiāls ar daudzām pielietošanas iespējām elektronikā. SiC ir platjoslas pusvadītājs ar lielisku termisko stabilitāti un šķelšanās spriegumu, tāpēc to izmanto tādās ierīcēs kā MOSFET un Šotkija diodes, kurās izmanto tā jaudas iespējas. Sakarā ar zemo siltumvadītspēju un dopinga prasībām, kas nepieciešamas elektrisku īpašību uzlabošanai, iespējams, būs nepieciešamas papildu modifikācijas, pirms šo materiālu varēs izmantot komponentos, kas darbojas augstākā temperatūrā, piemēram, gāzes turbīnās.

Fizikālā tvaiku transportēšanas metode (PVT) var būt efektīvs līdzeklis lielu, augstas kvalitātes silīcija karbīda kristālu ražošanai. Šajā procesā izkausētais silīcija ogleklis no grafīta tīģeļa augstā temperatūrā caur porainu barjeras elementu tiek izvadīts cauri grafīta tīģelim, līdz sublimējas; tad tā tvaiki izplūst cauri šim barjeras elementam, pirms nogulsnējas uz sēklas kristāliem. Par barjeras elementu var kalpot jebkurš materiāls, kas ir pietiekami porains, lai ļautu silīcija tvaiku caurlaidību.

Moisanīts, ko parasti dēvē par minerāla blakusproduktu, var lepoties ar lieliskām mehāniskām īpašībām, un to var izaudzēt dažādās formās. Moisanīts ir ļoti izturīgs pret skrāpējumiem un nobrāzumiem, tas ir viens no cietākajiem minerāliem, kura cietība Mosa skalā ir 9,25, un tas ir ļoti izturīgs pret plaisām vai lūzumiem, laika gaitā nesabojājot.

Lai gan moisanīts nav plaši pieejams minerāls, nelielos daudzumos to var atrast dažos meteorītos un korundā - citā silīcija un oglekļa savienojumā. Tā kā moisanītam ir sešstūraina kristāliskā struktūra un tas ir stabils augstā temperatūrā, to var viegli atliet dažādās formās, lai izmantotu arī juvelierizstrādājumos.

Ķīmiskā tvaiku uzklāšana

Ķīmiskā pārklāšana no tvaikiem jeb CVD ir inovatīva metode, ko izmanto, lai uz substrātiem uzklātu negaistošas cietas plēves. Šo metodi var izmantot pusvadītāju plākšņu, silīcija karbīda un citu materiālu ražošanai; tās pielietojumu diapazons ir no pusvadītāju plākšņu ražošanas paaugstinātā temperatūrā līdz atmosfēras spiediena videi. Prekursoru gāzes adsorbējas un reaģē plāksnes virsmā, veidojot vēlamo materiālu, kas atbilst tās kristāliskajai struktūrai, iegūstot ļoti blīvu rezultātu, ko var arī veidot vēlamajās formās.

CVD tehnoloģijai ir daudz pielietojumu elektronikā, optoelektronikā un katalīzē - sākot no monokristāla silīcija epitaksijas slāņu ražošanas līdz mikroelektromehānisko sistēmu (MEMS) un nanoelektromehānisko sistēmu (NEMS) izgatavošanai. Diemžēl augstas temperatūras prasības SiC audzēšanai ir ierobežojušas tā izmantošanu MEMS/NEMS ierīču izgatavošanā, taču tiek veikti pētījumi, lai izstrādātu zemas temperatūras CVD procesus izmantošanai šajos procesos.

Moisanīts ir silīcija karbīda forma, kas radīta laboratorijās, izmantojot dažādas metodes. Moisanīts ir viens no cietākajiem minerāliem uz Zemes ar Mosa cietības pakāpi 9,25, tāpēc tā līdzīgo termisko un elektrisko īpašību dēļ tas ir kļuvis pazīstams kā alternatīva dimantam; tāpēc tas tiek dēvēts par "dimanta aizstājēju". Moisanīts var lepoties ar lieliskām izturības īpašībām, kas novērš skrāpējumus vai griešanu - tas ir kļuvis arī par populāru alternatīvu juvelierizstrādājumu izvēli, pateicoties tā pieejamo krāsu daudzveidībai.

Ķīmiskā tvaiku uzklāšana jeb CVD ir labākais process moisanīta ražošanai. Šis paņēmiens ietver silīcija un oglekļa maisījuma karsēšanu ārkārtīgi augstā temperatūrā, pirms gāzes ievadīšanas vakuuma kamerā, lai veidotos silīcija karbīda kristāli. CVD ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar citām moisanīta ražošanas metodēm.

Sintētisko moisanītu var ražot arī sintētiski laboratorijā, kas ir ekonomiska alternatīva dabīgajam dimantam. Ar līdzīgu ķīmisko sastāvu un krāsu iespējām, piemēram, ziliem, zaļiem, sarkaniem un pelēkiem toņiem, tas nodrošina tādu pašu optiskās caurlaidības rādītāju kā dabīgais dimants, padarot sintētisko moisanītu par lielisku kandidātu optisko pārklājumu pielietošanai.