Karbid křemíku

Identifikace
Karbid křemíku

Pelety z čistého SiC ( průměr ~ 3 mm ).
__ Si __ C Krystalová struktura β karbidu křemíku ( polymorf 3C nebo sfalerit ).
N O CAS	409-21-2
Ne o ECHA	100 006 357
Ne o EC	206-991-8
N O RTECS	VW0450000
PubChem	9863
ChEBI	29390
ÚSMĚVY	[C -] # [Si +] PubChem , 3D pohled
InChI	Std. InChI: 3D pohled InChI = 1S / CSi / c1-2 Std. InChIKey: HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N
Vzhled	krystalická pevná látka
Chemické vlastnosti
Vzorec	C Pokud
Molární hmotnost	40,0962 ± 0,0011 g / mol C 29,95%, Si 70,05%,
Fyzikální vlastnosti
T. fúze	2700 ° C (rozklad)
Rozpustnost	nerozpustný ve vodě, až 10 mg · L -1
Objemová hmotnost	3,16 g · cm -3 až 20 ° C
Krystalografie
Pearsonův symbol	$hR6 \,$
Křišťálová třída nebo vesmírná skupina	R3m, ( n o 160) trigonální Hermann-Mauguin: $R \ 3 \ m \,$ Schoenflies: $C _ {{3v}} ^ {5} \,$
Typická struktura	wurtzite
Opatření
SGH
Varování H315 , H319 , H335 , H351 , P201 , P261 , P280 , P305 + P351 + P338 , P405 a P501 H315 : Dráždí kůži H319 : Způsobuje vážné podráždění očí H335 : Může dráždit dýchací cesty H351 : Podezření na vyvolání rakoviny (uveďte cestu expozice, je-li přesvědčivě prokázáno, že žádná jiná cesta expozice nevede ke stejnému nebezpečí) P201 : Získejte speciální pokyny před použitím. P261 : Zamezte vdechování prachu / dýmu / plynu / mlhy / par / aerosolů. P280 : Noste ochranné rukavice / ochranný oděv / ochranné brýle / obličejový štít. P305 + P351 + P338 : Při zasažení očí: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, pokud je oběť nosí a lze je snadno vyjmout. Pokračujte v oplachování. P405 : Skladujte uzamčené. P501 : Odstraňte obsah / obal do ...
WHMIS
D2B,
NFPA 704
1 1 1

Jednotky SI a STP, pokud není uvedeno jinak.

Karbid křemíku je chemická sloučenina podle vzorce SiC. Jedná se o ultraréfractaire keramický ultra tvrdý polovodičový syntetický materiál , který lze v přírodě nalézt jako vzácný minerál , moissanit .

Při procesu Acheson , od konce XIX th století , je známo, průmyslově vyrábět prášek karbidu křemíku, který byl poprvé použit jako brusivo . Zrna SiC lze slinovat a získat tak velmi tvrdé keramické části - od 9,0 do 9,5 podle Mohsovy stupnice - které se široce používají pro aplikace vyžadující vysokou pevnost, jako jsou brzdy , spojky nebo desky určitých neprůstřelných vest .

Karbid křemíku má rovněž aplikacím elektronického data z počátku XX tého století s první rádio a světelných diod ( LED ); dnes se tento materiál používá v elektronických součástkách, které musí pracovat při vysoké teplotě nebo pod vysokým napětím . Velký karbidu křemíku jednotlivé krystaly mohou být získány pomocí Lely procesem , který krystaly se potom může snížit do drahokamů zvané syntetické moissanite .

Karbid křemíku má více než 250 polymorfy , ty hlavní být a-SiC (nebo Polytype 6 H , hexagonální ), beta-SiC (nebo Polytype 3 C , sfalerit typ ) a karbid křemíku 4 H .

Struktura a vlastnosti

Čistý karbid křemíku je bezbarvý, ale průmyslový produkt je černý až zelený kvůli nečistotám z oxidu hlinitého Al 2 O 3. Nejčistší SiC má sklon k láhvi zelené. Pevný materiál má hustotu z 3.217 g · cm -3 při 20 ° C a je prakticky nerozpustný ve vodě. Odolává oxidaci v atmosféře nad 800 ° C vytvořením pasivační vrstvy na oxidu křemičitém SiO 2který chrání materiál před kyslíkem ve vzduchu . Nad 1600 ° C a pod kyslíku parciálního tlaku nižším než 5 kPa , křemík uhelnatý SiO je vytvořen, což je plynná při této teplotě, a proto již chrání materiál před oxidací, takže SiC hoří rychle za těchto podmínek.

Karbid křemíku má tvrdost 9,0 až 9,5 podle Mohsovy stupnice , srovnatelnou s tvrdostí karbidu boru B 4 Ca oxid hlinitý Al 2 O 3. Má tepelnou vodivost kolem 350 W · m -1 · K -1 pro čistý SiC, typicky sníženou na 100 až 140 W · m -1 · K -1 pro technický SiC, v závislosti na výrobním procesu. Jeho zakázaná šířka pásma se liší podle uvažovaného polytypu , například 2,39 eV pro β-SiC (3 C polytyp ) a 3,33 eV pro 2H polytyp . Neroztaví se, ani v inertní atmosféře, a rozkládá se při 2700 ° C , 2830 ° C nebo 3070 ° C podle různých měření provedených v letech 1986, 1988 a 1998.

Vlastnosti hlavních polytypů karbidu křemíku

Polytyp	6 H (α)	3 C (β)	4 hodiny
Krystalická struktura	Šestihranný ( wurtzit )	Kubický ( sfalerit )	Šestihranný
Vesmírná skupina	VS4 6v- P 6 3 mc	T2 d- F 4 3 m	VS4 6v- P 6 3 mc
Pearsonův symbol	hP12	cF8	hP8
Crystal parametr	3,0810 Á ; 15,12 Å	4,3596 Å	3,0730 Á ; 10,053 Å
Objemová hmotnost	3,21 g · cm -3	3,21 g · cm -3	3,21 g · cm -3
Široká mezera v pásmu	3,05 eV	2,36 eV	3,23 eV
Modul komprese	220 GPa	250 GPa	220 GPa
Tepelná vodivost při 300 K.	490 W · m -1 · K -1	360 W · m -1 · K -1	370 W · m -1 · K -1

Polymorfismus

Karbid křemíku je pozoruhodný svým zvláště vyvinutým polymorfismem s více než 250 krystalickými formami . Tento polymorfismus je charakterizován velmi blízkými krystalovými strukturami zvanými polytypy , identickými ve dvou rozměrech, ale lišícími se od sebe ve třetí dimenzi, což umožňuje popsat je jako odlišné od sebe navzájem podle pořadí skládání atomových vrstev struktury.

Alfa karbid křemíku (α-SiC) je nejběžnějším polytypem. Tvoří se nad 1700 ° C , s takzvanou 6H hexagonální krystalovou strukturou . Karbid křemíku beta (β-SiC) se tvoří při teplotě 1700 ° C se strukturou krychlového zmíněného sfaleritu typu 3 C , podobného jako u diamantu . Β-SiC se do přelomu století používal relativně málo, ale našel průmyslové aplikace jako podpora heterogenní katalýzy, protože má větší povrch než α-SiC.

__ Si __ C
α-SiC, wurtzite .
__ Si __ C
β-SiC, sfalerit .

Elektrická vodivost

Karbid křemíku je polovodič , který může být dotované n s dusíkem a fosforem a p s berylium , bor , hliník a gallium . Supravodivost byl pozorován v 3 C -SiC: Al, 3 C -SiC: a B 6 H -SiC: B při stejné teplotě 1,5 K . Je zde však zásadní rozdíl v chování mezi boru dopingu a hliníku dopingu: SiC: Al je typ II supravodiče , jako Si: B, zatímco SiC: B je typ I supravodič. . Ukázalo se, že křemíková místa v krystalové mřížce karbidu křemíku jsou pro supravodivost důležitější než uhlíková místa; to by mohlo vysvětlit rozdíl v magnetickém chování podle dopingových režimů, protože bór nahrazuje uhlík, zatímco hliník nahrazuje křemík v karbidu křemíku.

Přírodní karbid křemíku

Karbid křemíku existuje v přírodním prostředí ve velmi malém množství jako minerál α-SiC zvaný moissanit . Minutové množství tohoto minerálu lze nalézt v určitých druzích meteoritů a v ložiscích korundu a kimberlitu . První fragment moissanitu pozoroval v roce 1893 Henri Moissan - který pojmenoval minerál - v meteoritu Canyon Diablo z kráteru Meteor v Arizoně ( USA ). Toto zjištění bylo často diskutováno, protože vzorek, na kterém společnost Moissan pracovala, mohl být kontaminován pilovými kotouči z karbidu křemíku, které již byly v té době na trhu.

Moissanit bylo zjištěno, jako příslušenství minerální látky v kimberlites , především jako 6, H a 15 R polytypy . Moissanitová zrna byla také nalezena v peralkalinním syenitu sopky Água de Pau ( ostrov São Miguel , Azory ). To je obzvláště Polytype 6 H , ale Polytype 4 H je také přítomen. Tvorba moissanitu naznačuje extrémně redukční podmínky a pravděpodobně tok metanu a vodíku .

Ačkoli je na Zemi extrémně vzácný , karbid křemíku je obzvláště hojný ve vesmíru. Je to důležitá složka mezihvězdného prachu, a proto se často vyskytuje v nejprimitivnějších meteoritech, to znamená nejméně změněných od jejich vzniku. Je to téměř vždy β-SiC. Moissanit se tedy nachází v určitých chondritických meteoritech ve formě presolárních zrn ( fr ) . Izotopové složení těchto zrn poskytuje informace o hvězdné nucleosynthesis výbušniny a některých jaderných reakcí v supernov z typu II . Analýza zrn karbidu křemíku z meteoritu Murchison , uhlíkatého chondritu, který spadl ve Victoria v Austrálii , také odhalilo neobvyklé poměry izotopů uhlíku a křemíku naznačující původ mimo sluneční soustavu .

Výroba

Vzhledem k tomu, že moissanit je extrémně vzácný minerál, je karbid křemíku v podstatě syntetickým materiálem. Používá se jako brusivo jako polovodič a jako drahokam jako diamant . Nejjednodušší způsob je spojit písek z oxidu křemičitého s uhlíkem v elektrické peci podle postupu Acheson , mezi 1600 a 2500 ° C . Je také možné vyrobit karbid křemíku ze zrn křemíku přítomných v jeho (např. Rýži ) zahřátím celku za účelem reakce s oxidem křemičitým SiO 2s uhlíkem z organické hmoty . Křemenný prach , který je vedlejším produktem výroby křemíku a slitin z ferosilicia , může také dát karbid křemíku zahříváním s grafitem na 1500 ° C .

Čistota materiálu vytvořeného v Achesonově peci závisí na vzdálenosti od grafitových odporů. Tyto Nejčistší krystaly jsou bezbarvé, světle žlutá nebo zelená a se nacházejí nejblíže k odporů. Když se vzdálíme od odporů, barva se změní na tmavě modrou a černou a krystaly budou méně čisté. Nejběžnějšími nečistotami jsou dusík a hliník , které ovlivňují elektrickou vodivost materiálu.

Čistý karbid křemíku lze získat procesem Lely , během kterého se karbid křemíku sublimuje, aby se uvolnil křemík, uhlík, křemík dikarbon SiC 2a karbid křemíku Si 2 Cv argonové atmosféře při 2 500 ° C , které se potom kondenzují jako monokrystaly o průměru asi 2 cm na chladnějším substrátu . Tento proces poskytuje kvalitní monokrystaly, v podstatě ve formě a-SiC ( polytyp 6 H ) kvůli vysoké růstové teplotě. Upravený Lelyho proces využívající indukční ohřev v kelímcích vyrobených z grafitu poskytuje ještě větší krystaly, až 10 cm .

Krystaly SiC získané procesem Lely .

Kubický karbid křemíku (β-SiC) se obecně získává dražšími procesy chemického nanášení par ( CVD ). Je možné provádět homoepitaxie a heteroepitaxie vrstev karbidu křemíku z kapalných nebo plynných prekurzorů. Čistý karbid křemíku lze také připravit tepelným rozkladem polymeru , poly (methylsilyn) , v inertní atmosféře při nižší teplotě. Ve srovnání s metodami CVD má pyrolýza polymeru tu výhodu, že je schopen poskytnout polymeru přesný tvar před jeho převedením na keramiku.

Aplikace

Brusiva a řezné nástroje

Karbid křemíku je v plastice běžně používaným brusivem kvůli své odolnosti a nízké ceně. V průmyslu se používá při procesech abrazivního obrábění, jako je broušení , leštění , řezání vodním paprskem a pískování . Částice karbidu křemíku jsou laminovány na papír, aby se vytvořil brusný papír, stejně jako protiskluzové pásky pro skateboardy .

Kompozit z oxidu hlinitého Al 2 O 3a vousy zvláště odolného karbidu křemíku SiC byly pozorovány v roce 1982 a na trh řezných nástrojů v roce 1985.

Konstrukční materiál

Jako jiná ultra tvrdá keramika ( oxid hlinitý Al 2 O 3a karbid boru B 4 C), karbid křemíku se používá v kompozitním brnění (např. Chobhamově brnění ) a v keramických deskách některých neprůstřelných vest .

Karbid křemíku se používá jako nosný a regálový materiál ve vysokoteplotních pecích, zejména pro vypalování keramiky, tavení skla nebo lití skla. Police trouby z karbidu křemíku jsou výrazně lehčí a odolnější než tradiční police z oxidu hlinitého.

v prosince 2015, Injekce nanočástic karbidu křemíku v hořčíku taveniny bylo navrženo na University of California v Los Angeles, jako prostředek pro vytvoření nového slitiny odolného plastu pro použití v leteckém a kosmickém průmyslu , The automobilový a mikroelektroniky .

Automobilové vybavení

Kompozitu uhlík-uhlík infiltroval křemíku se používá pro kotoučové brzdy „keramika“ vysoký výkon, protože je schopen odolávat extrémním teplotám. Tyto silikonové reaguje s grafitem v uhlík-uhlík kompozitu za vzniku oxidu vlákny vyztuženého karbidu křemíku (C / SiC). Tyto disky se používají u některých sportovních automobilů a vozidel vyšší třídy.

Karbid křemíku je také použit ve slinuté formě pro dieselové filtry částic . Používá se také jako přísada do oleje ke snížení tření , emisí a harmonických .

Přepěťové ochrany

První aplikací karbidu křemíku v elektrických instalacích bylo vyrobit bleskojistky . Tato zařízení mají vysoký odpor, když je na ně aplikované elektrické napětí menší než prahové napětí, a nízký odpor, když je na ně aplikované elektrické napětí větší než toto prahové napětí.

Rychle bylo zjištěno, že elektrický odpor karbidu křemíku závisí na napětí, kterému je vystaven, takže sloupce pelet SiC byly spojeny mezi vedením vysokého napětí a zemí . Pokud blesk, který dopadne na vedení, zvýší napětí vůči zemi nad mezní hodnotu, baterie SiC se stanou vodivými a evakuují přebytečné napětí k zemi, čímž se zachová zbytek elektrické instalace. V praxi bylo zjištěno, že kolony SiC jsou při normálním provozním napětí velmi vodivé, a musí být proto zapojeny do série s jiskřištěmi . Tyto jiskřiště jsou ionizované a vodivé, když blesk zvýší napětí elektrického vedení, které naváže kontakt se zemí skrz sloupy SiC, které již nejsou izolované .

Sloupce SiC měly původně nahradit jiskřiště v omezovačích přepětí, které jsou obecně nespolehlivé, protože ne vždy vytvářejí očekávaný elektrický oblouk a zůstávají vodivé příliš dlouho, například v důsledku poruchy zařízení nebo „kontaminace prachem nebo solí. Takové svodiče s jiskřištěmi a sloupy z karbidu křemíku prodávaly zejména společnosti General Electric a Westinghouse Electric Corporation . Toto zařízení bylo od té doby z velké části nahrazeno kolonovými varistory ZnO pelet s oxidem zinečnatým.

Vláknové pyrometry

Vlákna z karbidu křemíku mohou být použita ve pyrometrech s vlákny, která měří teplotu proudu horkého plynu pomocí jemných vláken, jejichž emisní spektrum je zachyceno k určení teploty . Za tímto účelem se používají vlákna SiC o průměru 15 μm , dostatečně jemná, aby nenarušila tok plynu a aby se zajistilo, že teplota vlákna je co nejblíže teplotě proudu plynu. To umožňuje teploty asi 500 až 2200 ° C, která má být měřena .

Elektronické komponenty

Karbid křemíku byl prvním komerčně důležitým polovodičovým materiálem. Dioda detekční signál rádiové na krystalu v „carborindon“ (syntetický karbid křemíku, karborundum English) byl patentován v roce 1906 Henry Harrison Chase Dunwoody (en) . Rychle našel široké využití v lodních rádiových přijímačích.

Diody vyzařující světlo

Elektroluminiscence byl objeven v roce 1907 z prvků z karbidu křemíku a z prvních světelných diod ( LED ), byly založeny na SiC. Žluté LED diody ve 3 C- SI byly vyrobeny v SSSR v 70. letech a modré LED na celém světě v 80. letech . Tyto diody přesto rychle ustoupily diodám nitridu galia GaN, které mají modrou emisi desetkrát až stokrát silnější, protože GaN je polovodič s přímou mezerou , na rozdíl od SiC je materiál nepřímé mezery. SiC však zůstává široce používán v LED jako substrát, na kterém jsou pěstovány aktivní vrstvy nitridu galia, stejně jako chladič ve vysoce výkonných LED.

Výkonová elektronika

Karbid křemíku je polovodič používaný ve výkonové elektronice v elektronických součástkách určených pro mikrovlnný, vysokoteplotní nebo vysokonapěťový provoz. První dostupné komponenty byly Schottkyho diody a poté JFET a MOSFET pro přepínání vysokého výkonu. Z bipolárních tranzistorů a tyristory jsou předmětem vývoje.

Komercializace SiC narazila na problém eliminace vad krystalů , jako jsou dislokace klínů a šroubů. To je důvod, proč komponenty karbidu křemíku zpočátku vykazovaly špatný výkon, ačkoli byly zkoumány, aby je vylepšily. Kromě kvality SiC krystalů, rozhraní problémy mezi SiC a oxid křemičitý SiO 2brzdil vývoj výkonových IGBT a MOSFET na bázi karbidu křemíku. Ačkoli mechanismus není jasně pochopen, nitridace významně snížila počet defektů způsobujících problémy s rozhraním v těchto součástech.

První komerční JFET běží napětí 1200 V. byla uvedena na trh v roce 2008 a následně v roce 2011 prvním provozním MOSFET při 1200 V. . Schottkyho diody z karbidu křemíku jsou široce používány na trhu s výkonovými moduly účiníku a IGBT .

Šperky

Karbid křemíku používaný v klenotnictví se nazývá syntetický moissanit , nebo jednoduše moissanit , v odkazu na minerál stejného jména. Syntetický moissanit je podobný diamantu v několika důležitých aspektech: je to průhledný a tvrdý kámen (9,0 až 9,5 podle Mohsovy stupnice , ve srovnání s 10 pro diamant), s indexem lomu 2, 65 až 2,69 (proti 2,42 pro diamant ). Je to trochu těžší než běžné zirkony . Na rozdíl od diamantu může být silně dvojlomný . Z tohoto důvodu, moissanite šperky je řez podél optické osy v krystalu , aby se omezila účinky dvojlomu. Je lehčí ( hustota z 3,21 g · cm -3 proti 3,53 g · cm -3 ) a mnohem více odolný vůči teplu než diamant. Má tedy brilantnější lesk, ostřejší fazety a lepší odolnost. Moissanite kameny může být umístěna přímo do formy pro odlévání na vytavitelný model , jako jsou diamanty, protože moissanite odolává teplotám až do 1800 ° C .

Moissanit je populární imitace diamantu a může být zaměňován se skutečným diamantem, protože má tepelnou vodivost obzvláště blízkou diamantové. Na druhou stranu se od diamantu liší dvojlomem a velmi slabou zelenou nebo žlutou fluorescencí pod ultrafialovým světlem . Některé moissanity také vykazují zakřivené, nitkovité inkluze, které v diamantech chybí.

Astronomie

Nízký koeficient tepelné roztažnosti spojený s velkou tvrdostí karbidu křemíku, jeho vysoká tuhost a vysoká tepelná vodivost z něj činí zajímavý materiál pro dalekohledy používané v astronomii . Proces růstu chemické depozice v plynné fázi ( CVD ) byl přizpůsoben výrobě polykrystalických SiC disků do průměru 3,5 m . Několik dalekohledů, jako je například Herschelův vesmírný dalekohled , je vybaveno polykrystalickou SiC optikou, zatímco přístroje Gaia Space Telescope jsou namontovány na pevné optické lavici z karbidu křemíku, která poskytuje stabilní strukturu, která nepodléhá tepelné roztažnosti.

Topné články

Z topných těles z karbidu křemíku jsou popsány v literatuře od počátku XX th století . Umožnily dosáhnout vyšších provozních teplot než kovové prvky . Tyto SiC topné články se dnes používají při tavení skla a neželezných kovů, tepelném zpracování kovu , výrobě plaveného skla , výrobě keramiky a elektronických součástek , zapalování zapalovacích světel pro plynové vytápění atd. .

Podpora katalyzátoru

Skutečnost, že karbid křemíku přirozeně odolává oxidaci a vývoj nových metod výroby β-SiC s krystalickou strukturou podobnou sfaleritu , činí karbid křemíku zajímavým materiálem jako nosičem katalyzátoru v heterogenní katalýze kvůli jeho rozšířenému povrchu. Tyto vlastnosti se využívají při oxidaci uhlovodíků , jako je přeměna n- butanu na anhydrid kyseliny maleinové .

Částice TRISO pro jaderné palivo

Karbid křemíku je důležitou složkou částic jaderného paliva typu TRISO (" tristrukturní izotropní "), které se používají ve velmi vysokých teplotách jaderných reaktorů , jako jsou reaktory s kulovým ložem . Každá částice TRISO je tvořena jádrem z oxidu uraničitého nebo karbidu uranu obklopeného čtyřmi vrstvami tří izotropních materiálů : porézní uhlíkovou pufrovací vrstvou, poté vnitřní vrstvou hustého pyrolytického uhlíku (PyC), poté vrstvou SiC určenou k zadržování štěpných produktů při vysokých teplotách a pro posílení strukturní integrity částice TRISO a nakonec vnější vrstvy hustého PyC.

Karbid křemíku byl studován, aby nahradil Zircaloy v povlacích v lehkovodních reaktorech . Jedním z důvodů pro tento výzkum je, že Zircaloy je křehký vodíkem produkovaným korozí ve styku s vodou , což významně snižuje houževnatost materiálu. Tento jev je při vysoké teplotě velmi zesílen. Povlaky z karbidu křemíku nepodléhají tomuto typu mechanické degradace a naopak si zachovávají svoji odolnost vůči vysokým teplotám. Kompozitní materiál sestává z karbidu křemíku vláken navinuta vnitřní karbidu křemíku vrstvu a je obklopen vnější vrstvou SiC.

Výroba grafenu

Karbid křemíku může být použit při výrobě grafenu v důsledku svých chemických vlastností, které podporují epitaxní tvorbu z grafenu na povrchu SiC nanostruktur . Existuje několik metod pěstování grafenu na SiC. Metoda růstu pomocí sublimace s omezeným omezováním ( CCS ) tedy používá čip SiC zahřívaný ve vakuu v přítomnosti grafitu . Vakuum se poté velmi postupně odstraňuje, aby se kontroloval růst grafenu. Tato metoda vede k nejkvalitnějším grafenovým vrstvám, zatímco byly publikovány další metody, které dosahují ekvivalentní kvality.

Teoreticky je také možné vyrábět grafen tepelným rozkladem SiC při vysoké teplotě ve vakuu, ale výsledkem této metody jsou vrstvy grafenu proložené malými zrny. Byl proto učiněn pokus zlepšit kvalitu a výtěžek tohoto procesu ex situ grafitizací SiC zakončeného křemíkem v atmosféře argonu. Tato metoda umožnila výrobu grafenových vrstev s doménami větších velikostí než u jiných metod.

Většina procesů výroby grafenu zahrnuje vysoké teploty, typicky 1300 ° C , s využitím tepelné stability karbidu křemíku. Způsoby kombinující chemické nanášení par ( CVD ) a oddělovací povrch umožňují pracovat při podstatně nižších teplotách, řádově 750 ° C . Tepelné zpracování vrstvy přechodného kovu na SiC substrátu tedy může vést k vytvoření souvislých grafenových vrstev na rozhraní mezi kovem a substrátem.

Výroba oceli

Karbid křemíku se rozpustí ve výrobním peci oceli podle metody LD je používán jako palivo zvýšení teploty směsi a dále pro opětovné zpracování zbytků se stejným kovové vsázky horké. Je levnější než kombinace ferosilikonu a uhlíku , vyrábí čistší ocel a uvolňuje méně látek znečišťujících ovzduší, protože obsahuje méně nečistot, málo plynu a nesnižuje teplotu oceli.

Barevná centra, zdroje jednotlivých fotonů

Stejně jako diamant , který obsahuje NV centra , obsahuje karbid křemíku také bodové defekty tvořící barevná centra, která se pravděpodobně budou chovat jako zdroje jednoho fotonu (in) . Takové struktury jsou základními prostředky pro mnoho nově se objevujících aplikací v kvantové práci na počítači . Čerpání barevného centra pomocí externího optického zdroje nebo elektrického proudu jej přivádí do vzrušeného stavu, ze kterého může uvolněním jediného fotonu uvolněním zpět do základního stavu .

Známým bodovým defektem karbidu křemíku je dilacune , který má elektronickou strukturu podobnou struktuře NV center v diamantu. V polytypu 4 H- SiC představuje čtyři možné konfigurace: dvě axiální konfigurace zaznamenané hh a kk a dvě základní konfigurace zaznamenané hk a kh , kde h a k odkazují na hexagonální a kubické oblasti, přičemž tyto čtyři konfigurace dávají čtyři nulové fononové linky ( ZPL ), buď ve zápisu V Si –V C : hh (1,095); kk (1,096); kh (1,119); hk (1150), s hodnotami v elektronvoltech .

Příběh

Karbid křemíku byl syntetizován poprvé u švédský chemik Jöns Jacob Berzelius v první polovině XIX th století , jako součást své práce na křemíku . Minerální karbid křemíku přirozený byl objeven v roce 1893 francouzským chemikem Henri Moissan v meteoritu z Canyon Diablo , padlo asi 50 000 let v Arizoně , v USA . Tento minerál byl pojmenován moissanit na počest Moissana. Ten také syntetizovány SiC různými způsoby, například rozpuštěním uhlíku v roztaveném křemíku, roztavením směsi karbidu vápníku CAC 2a křemík a redukce oxidu křemičitého SiO 2 s uhlíkem v elektrické troubě.

Velkokapacitní výroba karbidu křemíku začala již v roce 1890 z iniciativy Edwarda Goodricha Achesona , amerického chemika, který pracoval na výrobě syntetických diamantů . K tomu, že zahříváním směsi jílu , v podstatě z hliníku vrstevné silikáty obecného generického vzorce (Al, Si) 3 O 4.a koksový prášek , tj. uhlík , v železné misce. Získal modré krystaly nazval „carborindon“ ( karborundum English), věřit, že to byla odrůda uhlík korund ( korund v angličtině). Acheson patentoval jeho proces výroby „carborindon“ prášek - za Acheson procesu - na 28. února 1893 . Vyvinul také elektrickou vsázkovou pec, ve které se dodnes vyrábí karbid křemíku, a založil společnost Carborundum Company , která má vyrábět sypký SiC, původně pro použití jako brusivo .

SiC aplikace rychle stal se více diverzifikované, a byl použit v detektorech prvních rádií počátku v XX th století . Brit Henry Round vyrobil první světelné diody ( LED ) pomocí elektrického napětí na krystal SiC, což umožnilo pozorovat emise žlutého, zeleného a oranžového světla na katodě . Tyto experimenty pak v roce 1923 reprodukoval ruský Oleg Lossev .

Poznámky a odkazy

„ Sloučenina z karbidu křemíku, beta-fáze, 99,8% (na bázi kovů) “ , na Alfa Aesar (přístup 25. ledna 2019 ) .
vypočtená molekulová hmotnost od „ atomové hmotnosti prvků 2007 “ na www.chem.qmul.ac.uk .
Záznam „Karbid křemíku“ v chemické databázi GESTIS IFA (německý orgán odpovědný za bezpečnost a ochranu zdraví při práci) ( německy , anglicky ), přístup k 26. lednu 2019 (je vyžadován JavaScript)
„ Krystalová struktura CSi Moissanite-9R “ , na adrese http://cst-www.nrl.navy.mil/ (zpřístupněno 17. prosince 2009 )
(in) Bodie E. Douglas a Shih-Ming Ho, Struktura a chemie krystalických pevných látek , Pittsburgh, PA, USA, Springer Science + Business Media,2006, 346 s. ( ISBN 0-387-26147-8 )
(en) Rebecca Cheung, mikroelektromechanické systémy z karbidu křemíku pro drsná prostředí , Imperial College Press, 2006, s. 3 . ( ISBN 1-86094-624-0 )
(in) K. Takahashi, A. a A. Yoshikawa Sandhu, Wide Bandgap Semiconductors: Fundamental Properties and Modern Photonic and Electronic Devices , Springer-Verlag, New York, 2007. ( ISBN 978-3-540-47235-3 )
(in) C. Persson a U. Lindefelt , „ Podrobná struktura pásma pro 3 C - 2 H - 4 H -, 6 H- SI, a je-li kolem mezery základního pásma “ , Physical Review B , Vol. 54, n o 15, 15. října 1996Článek n o 10257 ( PMID 9984797 , DOI 10,1103 / PhysRevB.54.10257 , bibcode 1996PhRvB..5410257P , číst on-line )
(en) „ SiC - Silicon Carbide “ , na http://www.ioffe.ru/ , Ioffe Fyzikálně-technický institut (přístup 26. ledna 2019 ) .
(en) Yoon-Soo Park, materiály a zařízení SiC , Academic Press, 1998, s. 20–60 . ( ISBN 0-12-752160-7 )
(in) „ SiC - Silicon Carbide: Thermal Properties “ na http://www.ioffe.ru/ , Institute Ioffe Physico-Technical (přístup 26. ledna 2019 ) .
(in) H. Morkoç S. Strite, GB Gao Lin ME, B. Sverdlov a Mr. Burns , „ Širokopásmový SiC, nitrid III-V a technologie polovodičových zařízení na bázi ZnSe II-VI “ , Journal of Applied Physics , roč. 76, n o 3, Srpna 1994, str. 1363-1398 ( DOI 10.1063 / 1.358463 , Bibcode 1994JAP .... 76.1363M , číst online )
(in) Takahiro Muranaka, Yoshitake Kikuchi Taku Yoshizawa Naoki Shirakawa a Jun Akimitsu , „ Supravodivost v karbidu křemíku dopovaného nosičem “ , Science and Technology of Advanced Materials , sv. 9, n O 4, 28. ledna 2009Článek n o 044204 ( PMID 27878021 , PMCID 5099635 , DOI 10,1088 / 1468 - 6996/9/4/ 044204 , bibcode 2008STAdM ... 9d4204M , číst on-line )
(in) Markus Kriener Takahiro Muranaka, Junya Kato, Zhi-An Ren Jun Akimitsu a Yoshiteru Maeno , „ Supravodivost v karbidu silného křemíku dopovaného bórem “ , Science and Technology of Advanced Materials , vol. 9, n O 4, 28. ledna 2009Článek n o 044205 ( PMID 27878022 , PMCID 5099636 , DOI 10,1088 / 1468 - 6996/9/4/ 044205 , bibcode 2008STAdM ... 9d4205K , arXiv 0810.0056 , číst on-line )
(in) Youichi Yanase a Naoyuki Yorozu , „ Supravodivost v kompenzovaných a nekompenzovaných polovodičích “ , Science and Technology of Advanced Materials , sv. 9, n O 4, 28. ledna 2009Článek n o 044201 ( PMID 27878018 , PMCID 5099632 , DOI 10,1088 / 1468 - 6996/9/4/ 044201 , bibcode 2008STAdM ... 9d4201Y , číst on-line )
Henri Moissan , „ Nový výzkum meteoritu Cañon Diablo “, Týdenní zprávy o zasedáních Akademie věd , sv. 139, 14. listopadu 1904, str. 773-786 ( číst online )
(in) Simonpietro Di Pierro, Edwin Gnos, Bernard H. Grobety Thomas Armbruster, Stefano M. Bernasconi a Peter Ulmer , „ Horninotvorný moissanit (přírodní karbid α-křemíku) “ , americký mineralog , sv. 88 n os 11-12 listopadu 2003, str. 1817-1821 ( DOI 10.2138 / am-2003-11-1223 , Bibcode 2003EAEJA ..... 8764D , číst online )
(in) AA Shiryaev, WL Griffin a E. Stoyanov, „ Moissanite (SiC) od kimberlitů: polytypy, stopové prvky, inkluze a spekulace jsou původem “ , Lithographs , sv. 122 n kostí 3-4, března 2011, str. 152-164 ( DOI 10.1016 / j.lithos.2010.12.011 , Bibcode 2011Litho.122..152S ).
(en) Sabrina Nazzareni, Fabrizio Nestola, Vittorio Zanon, Luca Bindi Scricciolo Enrico a kol. , „ Discovery of moissanite v peralkaline syenite z Azorských ostrovů “ , Lithos , vol. 324-325, ledna 2019, str. 68-73 ( DOI 10.1016 / j.lithos.2018.10.036 , Bibcode 2019Litho.324 ... 68N ).
(in) Wataru Fujiya, Peter Hoppe a Ulrich Ott, „ Rady pro bór s neutrinovým procesem v Presolar Carbide Grains Presolar od Supernovae “ , The Astrophysical Journal Letters , sv. 730, n o 1, 25. února 2011, Článek n o L7 ( DOI 10,1088 / 2041 - 8205/730/1 / L7 / meta , bibcode 2011ApJ ... 730L ... 7F , číst on-line [PDF] , přístup k 24 lednu 2019 ).
(in) Jim Kelly, „ The Astrophysical Nature of Silicon Carbide: on the originins of Moissanite “ na http://img.chem.ucl.ac.uk/ , University College London (přístup 27. ledna 2019 ) .
(in) AS Vlasov, AI Zakharov, OA Sarkisyan a NA Lukasheva , „ Získání karbidu křemíku z rýžových slupek “ , Refractories , sv. 32, n bone 9-10, Září 1991, str. 521-523 ( DOI 10.1007 / bf01287542 , číst online )
(in) Yang Zhong, Leon L. Shaw, Misael Manjarres a Mahmoud F. zawrah , „ Syntéza nanoprášku karbidu křemíku pomocí křemičitého dýmu “ , Journal of the American Ceramic Society , sv. 93, n o 10, října 2010, str. 3159-3167 ( DOI 10.1111 / j.1551-2916.2010.03867.x , číst online )
(in) Gary Lynn Harris Vlastnosti karbidu křemíku , IET, 1995 str. 19, 170–180 . ( ISBN 0-85296-870-1 )
(od) Jan Anthony Lely, (1955). „Darstellung von Einkristallen von Silicium Carbid und Beherrschung von Art und Menge der eingebauten Verunreinigungen“, Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft , sv. 32, s. 229–236
(in) „ Velký vysoce kvalitní jednokrystalický substrát z karbidu křemíku “ , technická zpráva společnosti Nippon Steel o stroji Wayback , 17. prosince 2010(zpřístupněno 27. ledna 2019 ) .
(in) Andrey S. Bakin, „SiC Homoepitaxy and heteroepitaxy“ pan Shur, S. Rumyantsev, pan Levinshtein, materiály a zařízení SiC , World Scientific, 2006, s. 43–76 . ( ISBN 981-256-835-2 )
(in) Mr. W. Pitcher, S. J. Joray a P.A. Bianconi , „ Smooth Continuous Films of Silicon Carbide from Stoichiometric Poly (methylsilyne) “ , Advanced Materials , Vol. 16, n o 8, Duben 2004, str. 706-709 ( DOI 10.1002 / adma.200306467 , číst online )
(in) AR Bunsell Piant a A. , „ Přehled vývoje tří generací vláken karbidu křemíku s malým průměrem “ , Journal of Materials Science , sv. 41, n o 3, Února 2006, str. 823-839 ( DOI 10.1007 / s10853-006-6566-z , Bibcode 2006JMatS..41..823B , číst online )
(in) Richard M. Laine a Florence Babonneau , „ Preceramic polymerní cesty ke karbidu křemíku “ , Chemistry of Materials , sv. 5, n o 3, Březen 1993, str. 260-279 ( DOI 10.1021 / cm00027a007 , číst online )
(in) Narottam P. Bansal, Příručka keramických kompozitů , Springer, 2005, s. 312 . ( ISBN 1-4020-8133-2 )
(in) Matthew Chin, „ UCLA Researchers create Exceptionally strong and lightweight New Metal “ , na http://newsroom.ucla.edu/ , University of California v Los Angeles , 23. prosince 2015(zpřístupněno 28. ledna 2019 ) .
(in) D. O'Sullivan, J. Pomeroy, S. Hampshire a J. Murtagh , „ Odolnost proti degradaci filtrů pevných částic karbidu křemíku na usazeniny popela z nafty “ , Journal of Materials Research , Vol. 19, n o 10, října 2004, str. 2913-2921 ( DOI 10.1557 / JMR.2004.0373 , Bibcode 2004JMatR..19.2913O , číst online )
(in) P. Studt , „ Vlivem přísad mazacích olejů je tření keramiky za podmínek mezního mazání “ , Wear , sv. 115, n kost 1-2, Březen 1987, str. 185-191 ( DOI 10.1016 / 0043-1648 (87) 90208-0 , číst online )
(in) Jerry C. Whitaker, The handbook elektronika , CRC Press, 2005, s. 1108 . ( ISBN 0-8493-1889-0 )
(in) Colin R. Bayliss, elektrotechnika pro přenos a distribuci , Newnes, 1999, s. 250 . ( ISBN 0-7506-4059-6 )
(in) Jignesh D. Maun, Peter B. a David L. Urban Sunderland , „ Tenkovláknová pyrometrie s digitálním fotoaparátem “ , Applied Optics IP , vol. 46, n O 4, února 2007, str. 483-488 ( DOI 10.1364 / AO.46.000483 , Bibcode 2007ApOpt..46..483M , číst online )
(in) Gerald B. Stringfellow, (1997). Diody emitující světlo s vysokým jasem , Academic Press, 1997, str. 48, 57, 425 . ( ISBN 0-12-752156-9 )
(in) Mr. Bhatnagar a BJ Baliga , „ Srovnání 6 H- SiC, 3 C- SiC, a pokud jde o napájecí zařízení “ , IEEE Transaction on Electron Devices , sv. 40, n o 3, Březen 1993, str. 645-655 ( DOI 10.1109 / 16.199372 , Bibcode 1993ITED ... 40..645B , číst online )
(in) Hui Chen, Balaji Raghothamachar William Vetter, Michael Dudley, Y. Wang a BJ Skromme , „ Účinky různých typů defektů na výkon vyrobených zařízení byly 4 H- SiC homoepitaxiální vrstva “ , MRS Online Proceedings Library Archive , sv. . 911, února 2011, B12-03 ( DOI 10.1557 / PROC-0911-B12-03 , číst online )
(in) Roland Madar , „ Sporný karbid křemíku “ , Nature , sv. 430, n O 7003, 26. srpna 2004, str. 974-975 ( PMID 15329702 , DOI 10.1038 / 430974a , bibcode 2004Natur.430..974M , číst online )
(in) Z. Chen, AC Ahyi, X. Zhu, Li, T. Isaacs-Smith, JR Williams a LC Feldman , „ MOS Characteristics of C-Face 4 H -SiC “ , Journal of Electronic Materials , flight. 39, n o 5, Květen 2010, str. 526-529 ( DOI 10.1007 / s11664-010-1096-5 , Bibcode 2010JEMat..39..526C , číst online )
(in) „ S 1200 V a 45 miliohmům SemiSouth představuje nejsilnější SiC výkonový tranzistor pro efektivní správu napájení v tomto odvětví “ na http://www.reuters.com/ , Reuters , 5. května 2011(přístup 29. ledna 2019 ) .
(in) O'Donoghue, Gems , Elsevier, 2006, str. 89 . ( ISBN 0-7506-5856-8 )
(in) Gury Timofeevic Petrovsky, Michael N. Tolstoy, Sergey V. Ljubarsky Yuri P. Khimitch a Paul N. Robb , „ primární zrcadlo z karbidu křemíku o průměru 2,7 m pro dalekohled SOFIA “ , Proceedings SPIE , sv. 2199, Červen 1994, str. 263-270 ( DOI 10.1117 / 12.176195 , Bibcode 1994SPIE.2199..263P , číst online )
(in) Yeshvant V. Deshmukh, Průmyslové vytápění: principy, techniky, materiály, aplikace a design , CRC Press, 2005, str. 383–393 . ( ISBN 0-8493-3405-5 )
(in) Howard F. Rase, Příručka komerčních katalyzátorů: heterogenní katalyzátory , CRC Press, 2000, str. 258 . ( ISBN 0-8493-9417-1 )
(in) SK Singh, KM Parida, BC Mohanty a SB Rao , „ Karbid křemíku o vysoké ploše z rýžové slupky: nosný materiál pro katalyzátory “ , Reaction Kinetics and Catalysis Letters , sv. 54, n o 1, Leden 1995, str. 29-34 ( DOI 10.1007 / BF02071177 , číst online )
(in) E. Lopez-Honorato, J. Tan, PJ Meadows, G. Marsh a P. Xiao , „ Částice paliva potažené TRISO se zlepšenými vlastnostmi SiC “ , Journal of Nuclear Materials , sv. 392, n O 2 15. července 2009, str. 219-224 ( DOI 10.1016 / j.jnucmat.2009.03.013 , Bibcode 2009JNuM..392..219L , číst online )
(in) G. Bertolino G. Meyer a J. Perez Ipiña , „ Degradace mechanických vlastností Zircaloy-4 v důsledku vodíkové křehkosti “ , Journal of Alloys and Compounds , sv. 330-332, 17. ledna 2002, str. 408-413 ( DOI 10.1016 / S0925-8388 (01) 01576-6 , číst online )
(in) David Carpenter, K. Ahn, MS Kao, Pavel Hejzlar a Mujid S. Kazimi, „ Assessment of Silicon Carbide Cladding for High Performance Light Water Reactors “ , Program cyklu jaderného paliva, svazek MIT-NFC-TR-098 ( 2007) , na http://canes.mit.edu/ , MIT Center for Advanced Nuclear Energy Systems, 25. dubna 2012(zpřístupněno 30. ledna 2019 ) .
(in) Ming Ruan, Yike Hu, Zelei Guo Rui Dong, James Palmer, John Hankinson, Claire Berger a Walt A. de Heer , „ Epitaxiální grafen na karbidu křemíku: Úvod do strukturovaného grafenu “ , MRS Bulletin , sv. 37, N O 12 Prosinec 2012, str. 1138-1147 ( DOI 10.1557 / mrs.2012.231 , číst online )
(in) Konstantin V. Emtsev Aaron Bostwick, Karsten Horn, Johannes Jobst, Gary L. Kellogg, Lothar Ley, Jessica L. McChesney, Taisuke Ohta, Sergey A. Reshanov Jonas Röhrl, Eli Rotenberg, Andreas K. Schmid, Daniel Waldmann „Heiko B. Weber a Thomas Seyller , „ Směrem k vrstvám grafenových vrstev grafitizací karbidu křemíku za atmosférického tlaku “ , Nature Materials , sv. 8, n o 3, Březen 2009, str. 203-207 ( PMID 19202545 , DOI 10.1038 / nmat2382 , Bibcode 2009NatMa ... 8..203E , číst online )
(in) Walt A. de Heer, Claire Berger, Xiaosong Wu, Phillip N. Nejprve, Edward H. Conrad, Xuebin Li, Li Tianbo Michael Sprinkle, Joanna Hass L. Marcin Sadowski Marek Potemski a Gerard Martinez , „ Epitaxiální grafen “ , Solid State Communications , roč. 143, n kost 1-2, Červenec 2007, str. 92-100 ( DOI 10.1016 / j.ssc.2007.04.023 , číst online )
(in) Zhen-Yu Juang Chih-Yu Wu Chien-Wei Lo Wei-Yu Chen, Chih-Fang Huang, Jenn-Chang Hwang, Fu-Rong Chen Keh-Chyang Lou a Chuen-Horng Tsai , „ Syntéza grafenu na substráty z karbidu křemíku při nízké teplotě “ , Carbon , sv. 47, n o 8, července 2009, str. 2026-2031 ( DOI 10.1016 / j.carbon.2009.03.051 , číst online )
(in) A. Lohrmann, N. Iwamoto, Z. Bodrog Castelletto S., T. Ohshima, TJ Karle, A. Gali S. Prawer, JC McCallum a BC Johnson , „ Dioda emitující jeden foton v karbidu křemíku “ , Nature Communications , roč. 6, července 2015, Článek n o 7783 ( DOI 10,1038 / ncomms8783 , bibcode 2015NatCo ... 6E7783L , arXiv 1.503,07566 , číst on-line )
(in) Igor A. Khramtsov, Andrey A. Vyshnevyy a Dmitry Yu. Fedyanin , „ Zvýšení jasu elektricky poháněných jednofotonových zdrojů pomocí barevných center v karbidu křemíku “ , JSP Quantum Information , sv. 4, března 2018Článek n o 15 ( DOI 10.1038 / s41534-018-0066-2 , bibcode 2018npjQI ... 4 ... 15K , číst on-line )
(v) Joel Davidsson Viktor Ivády Rickard Armiento, NT His Adam Gali a Igor Abrikosov , " první principy predikce magnetooptických datových bodů pro identifikaci polovodičová defektů: případ vad divacancy 4 H -Pokud C " , New Journal of Physics , sv. 20, n O 2 15. února 2018, Článek n o 023035 ( DOI 10.1088 / 1367-2630 / aaa752 , bibcode 2018NJPh ... 20b3035D , číst on-line )
(in) SE Saddow and A. Agarwal, Advances in Silicon Carbide year Processing Applications , Artech House, Inc., 2004. ( ISBN 1-58053-740-5 )
(in) „ Výroba karborunda - nový průmysl “ ve společnosti Scientific American , 7. dubna 1894(k dispozici na 1. st únor 2019 ) .
(in) Jeffrey A. Hart, Stefanie Lenway Ann a Thomas Murtha, „ Historie elektroluminiscenčních displejů “ na http://www.indiana.edu/ , Indiana University v Bloomingtonu , Září 1999(k dispozici na 1. st únor 2019 ) .

Podívejte se také

externí odkazy

(en) „ Moissanite “ , na Mindat.org (přístup k 24. lednu 2019 )