Cum se face carbură de siliciu Momossanite

Moissanitul iese în evidență ca o piatră prețioasă excepțională, strălucind cu mai mult foc și strălucire decât diamantul. De la descoperirea sa în urmă cu peste 100 de ani, frumusețea sa captivantă i-a fermecat pe bijutieri.

Henri Moissan din Franța a fost primul care a descoperit moissanitul în meteoriți și kimberliți, deși majoritatea moissanitului de calitate pentru bijuterii este astăzi creat în laborator folosind o metodă termică avansată.

Procesul Lely

Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor de bază relativ nou; cu toate acestea, promisiunea sa în aplicațiile de putere și de radiofrecvență a fost identificată rapid și devreme. Un proces de fabricație adecvat a fost stabilit abia în anii 1970; în prezent, însă, procesul Lely este metoda de fabricare a substraturilor de SiC; acesta presupune creșterea monocristalelor în medii controlate la temperaturi ridicate, folosind Si și carbon de înaltă puritate pentru a forma monocristale care sunt apoi cultivate sub formă de lingouri cu o puritate, stoichiometrie, distribuție a dimensiunilor granulelor, precum și parametri electrici, cum ar fi caracteristicile de conductivitate specificate.

Această metodă de producție reflectă formarea naturală a moissanitului prin crearea de cristale mari într-o atmosferă inertă timp de mai multe luni, replicând procesele naturale de formare. Astfel se obțin cristale cu caracteristici fizice dezirabile, cum ar fi o dilatare termică redusă și o bună rigiditate - calități ideale pentru elementele de încălzire, de exemplu.

Moissanitul poate fi creat în două etape. În primul rând, trebuie sintetizată carbura de siliciu. Acest lucru poate fi realizat prin încălzirea unui amestec de nisip de cuarț silicios pur și cocs de petrol într-un cuptor electric cu arc electric - producând un material dens de carbură de siliciu similar structurii moissanitului.

După sinteza inițială a materiei prime, se implementează procese suplimentare pentru a o transforma într-un substrat cristalin. Printre acestea se numără decarbonatarea, cristalizarea și epurarea impurităților - în cele din urmă se obțin cristale cu proprietăți de înaltă performanță, cum ar fi un indice de refracție ridicat și o dilatare termică redusă.

Acest proces se bazează pe metoda Lely, inventată în 1955 de chimistul Lely. Aceasta presupune vaporizarea și condensarea carburii de siliciu fără a trece prin starea lichidă; cu toate acestea, acest lucru a cauzat dificultăți în controlul impurităților. La începutul anilor 1980, un alt chimist, pe nume Davis, a descoperit o modalitate de a controla impuritățile prin încălzirea carbidului de siliciu vaporizat la 2500degC înainte de a-l răci într-o atmosferă de gaz argon; acest lucru a produs cristale clare și incolore care au devenit cunoscute sub numele de Moissanite, după ce descoperitorul lor, Henri Moissan, le-a descoperit.

Creșterea fluxului

Carbura de siliciu este un mineral extrem de dur, cu o duritate de 9 pe scara Mohs, fiind unul dintre cele mai dure minerale de pe pământ. Carbura de siliciu poate fi transformată în veste antiglonț și plăci ceramice; în plus, este adesea utilizată ca abraziv în aplicații de tăiere. În plus, carbura de siliciu oferă performanțe bune la temperaturi ridicate datorită coeficientului său scăzut de dilatare termică.

Moissanitul este o piatră prețioasă compusă din carbură de siliciu care a fost descoperită pentru prima dată în 1893 de către Henri Moissan și care a fost numită după el. Deși este rar, moissanitul poate fi găsit doar în meteoriți de fier-nichel sau în unele formațiuni ionice ultramafice. La început au existat îndoieli cu privire la descoperirea sa, deoarece unii au presupus că probele ar fi putut fi contaminate de la lame de ferăstrău folosite pentru a tăia meteoriți - însă acest argument a fost infirmat între timp, deoarece Dr. Henri Moissan a folosit doar lame de carbură de siliciu atunci când și-a pregătit el însuși probele!

Cea mai mare parte a moissanitului sintetic produs astăzi este sintetic; majoritatea producătorilor utilizează metoda de creștere a fluxului pentru producție. Aceasta implică încălzirea unui amestec de pulbere de carbură de siliciu și amestec de flux la temperaturi ridicate înainte de a se răci treptat, încet, până când are loc cristalizarea pe un cristal de sămânță și producerea moissanitului cu o asemănare izbitoare cu omologul său natural.

Procesul PVT (transport fizic de vapori) oferă o altă modalitate de producere a moissanitului sintetic. Acesta implică sublimarea carburii de siliciu în vid înainte de a o depune pe cristale de semințe - creând mai multe cristale deodată și controlând cu ușurință dimensiunile acestora.

Bijuteriile din moissanit pot fi mai accesibile pentru persoanele care își doresc o piesă care să atragă atenția, cu o culoare și claritate unice decât cele ale diamantului, deoarece prețul său este determinat mai degrabă de dimensiunea milimetrică decât de greutatea în carate. În plus, moissanitul cântărește 15% mai puțin decât diamantele, astfel încât aveți mai multe șanse să obțineți piese mai mari pentru același cost.

PVT (transportul fizic al vaporilor)

Testarea PVT permite echipelor de producție să se asigure că fiecare cip funcționează la capacitate maximă în ceea ce privește specificațiile de temperatură și putere, protocoalele de gestionare a riscurilor, designul produselor vandabile și capacitatea de producție în masă. În plus, PVT permite echipelor să ajusteze produsele sau să facă modificările necesare înainte de producția în masă, precum și să efectueze alte teste, cum ar fi testele ALC sau de vibrații.

Carbura de siliciu (SiC) este un material industrial cu numeroase aplicații în electronică. Fiind un semiconductor cu bandă largă, cu o stabilitate termică și o tensiune de rupere excelente, SiC este utilizat în dispozitive precum MOSFET-urile și diodele Schottky, care utilizează capacitățile sale de putere. Din cauza conductivității termice scăzute și a cerințelor de dopaj necesare pentru îmbunătățirea proprietăților electrice, acest material ar putea avea nevoie de modificări suplimentare înainte de a putea fi pus în funcțiune în componente cu temperaturi mai ridicate, cum ar fi turbinele cu gaz.

Tehnica de transport fizic al vaporilor (PVT) poate fi un mijloc eficient de producere a unor cristale mari, de înaltă calitate, de carbură de siliciu. În cadrul acestui procedeu, carbonul de siliciu topit este transferat printr-un element de barieră poros din creuzetul său de grafit, la temperaturi ridicate, până la sublimare; apoi, vaporii săi trec prin acest element de barieră înainte de a se depune pe cristalele de semințe. Orice material suficient de poros pentru a permite trecerea vaporilor de siliciu poate servi ca element de barieră.

Moissanitul, denumit în mod obișnuit produsul secundar al mineralului, se mândrește cu proprietăți mecanice superioare și poate fi cultivat în diferite forme. Foarte rezistent la zgârieturi și abraziuni, moissanitul este unul dintre cele mai dure minerale existente, cu un grad de duritate de 9,25 pe scara Mohs și foarte puternic, rezistând la fisuri sau fracturi fără a se deteriora în timp.

Deși moissanitul nu este un mineral disponibil pe scară largă, cantități mici pot fi găsite în anumiți meteoriți și în corindon, un alt compus de siliciu și carbon. Datorită structurii sale cristaline hexagonale și comportamentului stabil la temperaturi ridicate, moissanitul poate fi ușor turnat în diverse forme pentru a fi utilizat și în aplicații de bijuterii.

Depunerea chimică în stare de vapori

Depunerea chimică în stare de vapori, sau CVD, este o tehnică inovatoare utilizată pentru a depune filme solide nevolatile pe substraturi. Tehnica poate fi aplicată la producerea de plachete semiconductoare, carbură de siliciu și alte materiale; aplicațiile sale variază de la producerea de plachete semiconductoare la temperaturi ridicate până la medii cu presiune atmosferică. Gazele precursoare se adsorb și reacționează la suprafața unei plăcuțe pentru a forma materialul dorit care se conformează structurii sale cristaline, cu rezultate foarte dense care pot fi, de asemenea, modelate în formele dorite.

Tehnologia CVD are multiple aplicații în electronică, optoelectronică și cataliză - de la producerea straturilor epitaxiale de siliciu monocristal la fabricarea sistemelor microelectromecanice (MEMS) și a sistemelor nanoelectromecanice (NEMS). Din nefericire, cerințele de temperatură ridicată pentru creșterea SiC au limitat utilizarea acestuia ca parte a fabricării dispozitivelor MEMS/NEMS - dar sunt în curs de desfășurare studii pentru a dezvolta procese CVD la temperaturi scăzute pentru utilizarea în cadrul acestor aplicații.

Moissanitul este o formă de carbură de siliciu creată în laboratoare prin diverse tehnici. Fiind unul dintre cele mai dure minerale de pe Pământ, cu un indice de duritate Mohs de 9,25, moissanitul s-a impus ca o alternativă la diamant datorită proprietăților sale termice și electrice similare; de aici și porecla sa de "înlocuitor al diamantului". Moissanitul se mândrește cu caracteristici excelente de durabilitate care previn zgârieturile sau tăieturile - a devenit, de asemenea, o alegere populară de bijuterii alternative datorită varietății de culori disponibile pentru acesta.

Depunerea chimică în stare de vapori, sau CVD (Chemical Vapor Deposition), este procedeul de bază pentru producerea moissanitului. Această tehnică implică încălzirea unui amestec de siliciu și carbon la o temperatură extrem de ridicată înainte de a introduce gazul într-o cameră de vid pentru a forma cristale de carbură de siliciu. CVD oferă multe avantaje față de alte forme de metode de producție pentru crearea moissanitului.

Moissanitul sintetic poate fi, de asemenea, produs sintetic în laborator, oferind o alternativă economică la diamantul natural. Cu o compoziție chimică similară și opțiuni de culoare, cum ar fi nuanțele de albastru, verde, roșu și gri, oferă același grad de transmisie optică ca și diamantul natural - ceea ce face din moissanitul sintetic un candidat excelent pentru aplicațiile de acoperire optică.