بنية كربيد السيليكون

كربيد السيليكون هو أحد أكثر المواد الاصطناعية صلابة، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الماس. ونظرًا لصلابته المذهلة، يُستخدم كربيد السيليكون كأساس لمكونات السيراميك طويلة الأمد المستخدمة في مكابح وقوابض السيارات وكذلك السترات الواقية من الرصاص.

قام إدوارد أتشيسون بتوليف الجرافين الاصطناعي لأول مرة في عام 1891 باستخدام الكربون ورمل السيليكا مجتمعين في فرن جرافيت كهربائي. كما يمكن العثور على أمثلة طبيعية داخل نيزك كانيون ديابلو في صورة معادن المويسانيت الشفافة.

ترابط رباعي الأوجه

لطالما استُخدم كربيد السيليكون (SiC)، الذي تم تصنيعه لأول مرة في عام 1891 على يد إدوارد أتشيسون من بنسلفانيا، كمادة كاشطة صناعية ومادة خزفية هيكلية. وقد أثبت SiC شعبيته على وجه الخصوص كمركب مضاد للتآكل مع مقاومة ممتازة للتآكل؛ ولذلك فإنه يجد استخدامًا واسع النطاق كمادة كاشطة صناعية وفي تطبيقات السيراميك الإنشائية. تُنتج ذرات SiC المعبأة بإحكام في ذرات تساهمية مترابطة تساهميًا روابط تساهمية قوية جدًا (طاقة الرابطة = 4.6eV)، مما يوفر تطبيقات خاصة في البيئات القاسية؛ بالإضافة إلى ذلك، تشكل هذه الروابط التساهمية روابط رباعية الأوجه قوية من خلال مشاركة أزواج الإلكترونات من المدارات الهجينة sp3؛ هذه الروابط القوية بين زواياها لتكوين تشكيلات قطبية في بنيتها التي تجعل هذه المادة.

يتخذ كربيد السيليكون العديد من الأشكال المختلفة، والمعروفة باسم الأنواع المتعددة. ولكل منها تركيب كيميائي فريد من نوعه وتكوين ترتيبات ترابط رباعي الأوجه بين ذرات السيليكون والكربون - مما يعطي المادة خصائص فريدة من نوعها.

تتغير البنية المجهرية الرئيسية لكربيد السيليكون مع انخفاض درجة الحرارة أثناء التصلب. في درجات الحرارة المرتفعة، يتغير هيكلها رباعي الأوجه sp3 إلى مستوٍ sp2، بسبب أطوال الرابطة بين Si-C الأقصر من المسافة بين C-Si في كربيد السيليكون السائب.

متعدد الأنواع

يحتوي كربيد السيليكون على أنواع متعددة - وهي تراكيب بلورية تظهر بنسب مختلفة مع نمو المادة - لها خصائص مميزة قد تغير أداء الأجهزة الإلكترونية. وتشمل أنواع كربيد السيليكون المتعددة الشائعة 4H و6H التي لها تطبيقات متعددة في العديد من التطبيقات مثل أجهزة أشباه الموصلات.

وتوجد مخططات تدوين لوصف التركيب البلوري للأنواع المتعددة، حيث يعد تدوين رامسديل أحد هذه المخططات التي تحددها بتكرار الطبقة والتناظر البلوري - وهذا يتيح وصفًا مضغوطًا وغنيًا بالمعلومات دون الكشف عن بنيتها الذرية الداخلية. وهناك نظام تدوين آخر ملحوظ هو تدوين رمز زيهل-نيلسون الذي يحدد الأنماط المتعددة المكونة لها بناءً على تسلسل التراص.

يحتوي كربيد السيليكون على العديد من الأنماط المتعددة، منها أربعة فقط سداسية الشكل وستة معينية السطوح ذات أهمية للتطبيقات التكنولوجية (تميز الدورة الثنائية الطبقات ذات التماثل السداسي 2H-SiC؛ أما الأنواع المتعددة الأخرى غير المكعبة فيمكن تسميتها بالرموز H، بينما يمكن استخدام الحروف والأرقام بدلاً من ذلك مثل 15R-SiC).

التركيب البلوري

يتبلور كربيد السيليكون في بنية متلاصقة بشكل مكثف مع كل طبقة مرتبطة تساهميًا بجيرانها، مما يخلق شبكة رباعية الأوجه معقدة تتراوح بين الوورتزيت (wurtzite) والزنك-بليند (4H-SiC). ويمكن التعرف على كل نوع متعدد الأوجه من خلال تسلسل التراص المحدد لذرات Si وC - نظرًا لأن عمليات الانتقال والدوران الجانبية لن تكون ممكنة من الناحية الطاقية، تصبح الطبقات غير منظمة بمرور الوقت وتؤدي إلى هياكل مختلفة.

يمكن وصف الهياكل البلورية من خلال تناظرها كما هو محدد بترتيبها الذري وطول المحاور الرئيسية وعرضها وزواياها في خلية الوحدة. تكون الذرات في كل خلية وحدة مرتبة وفقًا للخصائص الكيميائية والهندسية - خاصةً بالنسبة للأنواع المتعددة من السيليكون والكربون مثل النوع المتعدد 4H-SiC، فإن ترتيبها يتسم بتناظر عالٍ.

إن البنية البلورية العالية لكربيد السيليكون تجعله شديد المقاومة للتعرض للمواد الكيميائية، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات إلكترونيات الطاقة التي يجب تحمل درجات الحرارة العالية فيها. ويشهد كربيد السيليكون حالياً ارتفاعاً غير مسبوق في شعبيته في مجال إلكترونيات الطاقة نظراً لخصائصه الفيزيائية والإلكترونية الاستثنائية - فمقاومته لدرجات الحرارة العالية تجعله مفيداً بشكل خاص كمادة بديلة لأشباه الموصلات وسيراميك الأكسيد التي غالباً ما تفتقر إلى مقاومة درجات الحرارة العالية. وهي متوفرة بتركيبات بلورية متعددة الأشكال (4H-SiC مناسبة بشكل خاص لتطبيقات الطاقة العالية).

الخصائص

كربيد السيليكون، الذي يُشار إليه أيضًا باسم "الكاربوروندوم"، هو مادة شديدة الصلابة والهشاشة لها العديد من الاستخدامات المحتملة. تشمل الأمثلة الشائعة المواد الكاشطة وأدوات القطع؛ والمواد الإنشائية (السترات الواقية من الرصاص والدروع المركبة)؛ وأقراص فرامل السيارات؛ وموانع الصواعق؛ ومواد مرايا مانعات الصواعق في التلسكوبات؛ وكذلك مواد المرايا المستخدمة كمادة مرآة. وبفضل نقطة انصهاره العالية وكثافته المنخفضة وخصائص درجة حرارة التسامي فإنه يعد خياراً ممتازاً للعديد من العمليات ذات درجة الحرارة العالية مثل أقراص فرامل السيارات أو مادة المرآة المستخدمة كمادة مرآة في التلسكوبات.

يرتبط السيليكون والكربون في كربيد السيليكون من خلال روابط تساهمية. وتتشارك أزواج إلكتروناتها في مدارات sp3 الهجينة لتكوين روابط تساهمية رباعية الأوجه قوية للغاية تمنح كربيد السيليكون خواصه الفريدة والمرغوبة.

ويختلف كربيد السيليكون عن السيليكون في أن فجوة نطاقه أوسع، مما يسمح له بتحمل مجالات كهربائية أعلى والعمل بسرعات أعلى. وعلى هذا النحو، فإن خصائصه الكهربائية تجعله مكونًا لا غنى عنه لأجهزة إلكترونيات الطاقة في البيئات القاسية، وخاصة أنظمة تحويل الطاقة.

تجتمع نقطة الانصهار العالية والكثافة المنخفضة ودرجة حرارة التسامي العالية والتوصيل الحراري الممتاز لتجعل من ألياف الكربون إضافة لا تقدر بثمن في العديد من التطبيقات المختلفة. فهو مقاوم للغاية للتآكل بينما يسمح له ثباته الكيميائي بتحمل درجات الحرارة العالية للاستخدام لفترات طويلة؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن كفاءته الحرارية الفائقة تبدد الحرارة الاحتكاكية بسرعة وبكفاءة.