Štruktúra karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) je veľmi tvrdý syntetický materiál, ktorý prvýkrát syntetizoval Edward Acheson v roku 1891 v peci zahriatej uhlíkom a oxidom hlinitým. Od jeho uvedenia do priemyslu ako priemyselného abrazíva v 20. rokoch 20. storočia sa SiC rýchlo stal jedným z najvyhľadávanejších materiálov vo veľkom meradle.

SiC sa dodáva v rôznych kryštálových štruktúrach známych ako polytypy; pre aplikácie s vysokým výkonom je najlepší polytyp s hexagonálnou atómovou štruktúrou 4H-SiC.

Fyzikálne vlastnosti

Karbid kremíka je jemná keramika s rozmanitými fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré z nej robia jeden z najvšestrannejších žiaruvzdorných materiálov na trhu. Od jeho pevnosti, tvrdosti, odolnosti proti korózii a vysokého bodu tavenia až po jeho všestrannosť v extrémnych technických aplikáciách - ako sú ložiská čerpadiel, ventily, pieskovacie vstrekovače a lisovacie formy - karbid kremíka sa osvedčil ako dôležitý prvok pre moderné elektronické zariadenia. Okrem týchto pôsobivých mechanických vlastností ponúka karbid kremíka ako nepostrádateľná zložka významné polovodičové schopnosti.

Čistý karbid kremíka je bezfarebná kryštalická látka s hustotou 3,21 g/ml a teplotou topenia vyššou ako 2700 °C. Často sa vyrába Achesonovým procesom, pri ktorom sa kremičitý piesok a koks kombinujú a zahrievajú na vysoké teploty v elektrickej peci, až kým sa kremičitý piesok neskarbonizuje a nevytvorí hrubokryštalické štruktúry, ako je a-SiC, zatiaľ čo pri b-SiC ingotoch sa vytvárajú diamantové kubické štruktúry.

Alfa-SiC je najčastejšie sa vyskytujúci polymorf karbidu kremíka s hexagonálnou kryštálovou štruktúrou podobnou wurtzitu. Beta-SiC formy s diamantovou kubickou kryštálovou štruktúrou sa najčastejšie vyskytujú v meteoritoch; okrem toho sa táto forma často vyskytuje v priemyselnej výrobe pri procesoch tavenia a odlievania na výrobu rôznych výrobkov.

Chemické vlastnosti

Karbid kremíka je húževnatá neoxidová keramika s pozoruhodnými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami: vysokou tvrdosťou a tuhosťou, nízkou tepelnou rozťažnosťou a výnimočnou odolnosťou proti korózii. Okrem toho je vďaka svojmu širokému pásmovému rozhraniu vhodný na aplikácie vo vysokovýkonnej elektronike.

Voda, alkohol a väčšina kyselín s výnimkou kyseliny fluorovodíkovej a fluoridov kyselín ju nerozpúšťajú, čo zabezpečuje lepšiu chemickú stabilitu v porovnaní s väčšinou ostatných žiaruvzdorných keramík.

Karbid kremíka prvýkrát umelo syntetizoval Edward Acheson v roku 1891 ako náhodný vedľajší produkt elektricky zahrievanej taveniny uhlíka a oxidu hlinitého a stal sa jednou z najdôležitejších priemyselných keramík na svete, ktorá sa používa ako abrazívny materiál pre oceľové zliatiny, ako aj ako konštrukčná keramika.

Karbid kremíka má tesné tetraedrické usporiadanie kovalentne viazané. Rôzne postupnosti usporiadania dávajú vzniknúť rôznym polytypom - každý z nich sa vyznačuje odlišnými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami.

Alfa forma (a-SiC) má hexagonálnu kryštálovú štruktúru podobnú wurtzitu, zatiaľ čo jej beta verzia (b-SiC) vykazuje kryštálovú štruktúru zinku blende podobnú diamantu. Obe odrody SiC sa dajú ľahko opracovať len s obmedzenými obmedzeniami tvrdosti a brúsiť do rôznych tvarov na použitie ako brúsne výrobky alebo zrkadlá v teleskopoch, ktoré sú populárnymi aplikáciami týchto materiálov.

Elektrické vlastnosti

Karbid kremíka je polovodičový materiál, čo znamená, že vykazuje niektoré vlastnosti, ktoré sa vyskytujú v kovoch (ktoré vedú elektrický prúd) aj nekovoch, ako sú izolanty (ktoré odolávajú toku elektrického prúdu). Presná povaha jeho elektrických vlastností závisí od teploty a akýchkoľvek nečistôt prítomných v jeho kryštálovej štruktúre - pri nižších teplotách sa správa skôr ako izolant, ktorý sa bráni toku elektriny, zatiaľ čo pri vyšších teplotách sa stáva skôr vodičom a umožňuje, aby ním elektrina prechádzala.

Kryštálová štruktúra SiC pozostáva z vrstiev zložených z atómov kremíka a uhlíka viazaných v tetraedrických konfiguráciách. Tieto tesne usporiadané vrstvy vytvárajú tesnú štruktúru, ktorá dáva vzniknúť rôznym kryštálovým štruktúram nazývaným polytypy; každý polytyp má rovnaké chemické zloženie, ale odlišnú kryštálovú štruktúru, ktorá ovplyvňuje jeho elektrické vlastnosti. Postupnosť ukladania vrstiev každého polytypu môže vytvárať kubické, hexagonálne alebo romboedrické kryštálové štruktúry.

SiC je atraktívny materiál pre vysokonapäťové výkonové zariadenia vďaka svojej tetraedrickej kryštálovej štruktúre a širokej medzere v elektronickom pásme, čo ho robí obzvlášť vhodným pre diódy a tranzistory. Širšia elektronická pásmová medzera SiC mu umožňuje odolávať vyšším prierazným elektrickým poliam ako kremík a zároveň má menšie spínacie straty, ktoré pomáhajú zvyšovať energetickú účinnosť. Okrem toho možno vodivosť pórovitého karbidu kremíka modifikovať jeho dopovaním prímesami, aby sa dosiahla vyššia vodivosť aj napäťová schopnosť na použitie v účinných meničoch energie pre meniče energie elektrických vozidiel.

Mechanické vlastnosti

Karbid kremíka je mimoriadne tvrdý, chemicky inertný materiál, ktorý sa v prírode vyskytuje ako čierne diamanty s tvrdosťou podľa Mohsa 9. Má mnoho výhodných vlastností vrátane teplotnej stability, nízkej tepelnej rozťažnosti a odolnosti voči chemickým vplyvom, vďaka čomu je ideálny ako polovodičový materiál.

Oxid lítny je výnimočný elektrický izolant s výnimočným faktorom napäťovej odolnosti, ktorý je desaťkrát väčší ako u kremíka, čo z neho robí čoraz atraktívnejšiu možnosť ako náhradný materiál kremíka pre výkonovú elektroniku a iné vysoko výkonné aplikácie.

SiC sa vyrába pomocou rôznych polymorfných kryštálových štruktúr, z ktorých každá má svoje špecifické usporiadanie atómov. Vyrábajú sa tri bežné polytypy SiC: 3C-SiC, 4H-SiC a 6H-SiC; líšia sa poradím ukladania vrstiev, čo vedie k odlišným fyzikálnym a mechanickým vlastnostiam.

Nedávny výskum uskutočnený na jednotlivých SiC nanodrôtoch s rôznymi pomermi obsadenia štruktúry ODD bol in-situ testovaný v ťahu pomocou SEM na posúdenie ich pevnosti a pružnosti, modul pružnosti v šmyku, výpočty Poissonovho pomeru každej fázy, analýza mechanickej anizotropie odhalila, že Pm-SiC má silnejšie správanie v šmyku v porovnaní s b-SiC a Pnnm-SiC NWs; okrem toho pevnosť rástla so zvyšujúcim sa pomerom obsadenia ODD až do dosiahnutia 32,6%, kde pevnosť začala exponenciálne klesať.