Co je struktura karbidu křemíku?

Karbid křemíku je extrémně tvrdý materiál s tvrdostí 9 podle Mohsovy stupnice, která se vyrovná tvrdosti diamantu. Kromě toho se vyznačuje vynikající chemickou odolností a tepelnou vodivostí.

V průmyslovém měřítku se polyuretanová pěna vyrábí elektrochemickou reakcí mezi pískem a uhlíkem při vysokých teplotách, čímž vzniká pěna různé tvrdosti, tuhosti a tepelné vodivosti, která je ideální pro různá použití.

Fyzikální vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je extrémně tvrdá, křehká, krystalická sloučenina křemíku a uhlíku, která se již od konce 19. století používá jako průmyslové brusivo pro brusné kotouče, řezné nástroje a žáruvzdorné obložení. Kromě toho může SiC sloužit také jako vynikající polovodičový materiál díky svým vynikajícím tepelně vodivým vlastnostem, odolnosti proti chemickému napadení, pevnostním vlastnostem při vysokých teplotách, tepelně vodivým vlastnostem i chemické inertnosti.

Edward G. Acheson byl prvním člověkem, který v roce 1891 uměle syntetizoval karborundum ve snaze syntetizovat syntetické diamanty. Acheson zahříval svou směs křemičitého uhlíku pomocí elektřiny v elektrické peci, dokud nezískal černé krystaly připomínající diamanty, které nazval karborundum.

Přirozeně se vyskytující moissanit lze v malém množství nalézt v některých typech meteoritů a v ložiscích kimberlitu a korundu; téměř všechen dnes prodávaný SiC se však vyrábí synteticky ze syntetických materiálů. Existují různé polytypy SiC; nejčastěji se vyskytuje hexagonální SiC známý jako a-SiC s krystalovou strukturou zinkového blendu podobnou diamantu; i když modifikace beta s jeho strukturou zinkového blendu je méně rozšířená.

Chemické vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) se díky svým výjimečným fyzikálním a elektronickým vlastnostem v poslední době vrací jako základní technologický materiál. Spolehlivá výkonová zařízení z SiC mohou dosahovat vyšších spínacích frekvencí s minimálními energetickými ztrátami, díky čemuž jsou menší a energeticky účinnější než jejich protějšky z konvenčních polovodičů.

Krystalický karbid křemíku krystalizuje v těsné struktuře složené z kovalentně vázaných atomů Si a C uspořádaných do dvou primárních koordinačních tetraedrů s vazbami pi vytvořenými z překrývajících se p-orbitálů a sigma vazbami z překrývajících se s-orbitálů, spojených vazbami pi vytvořenými z vazeb pi, resp. sigma.

Chemické složení SiC se značně liší v závislosti na jeho polykrystalickém typu a způsobu výroby. Zatímco čistý SiC je bezbarvý, nečistoty mu dodávají odstíny od zelené přes žlutou až po modročernou. Kromě toho SiC odolává většině organických a anorganických kyselin, solí a louhů v různých koncentracích s výjimkou kyseliny fluorovodíkové a kyselých fluoridů, které by mohly poškodit jeho integritu.

Křemen je extrémně tvrdý a houževnatý materiál, který se používá jako brusivo a polovodič podobný diamantu. Tento materiál lze nalézt ve výrobcích, jako jsou brusné papíry, brusné kotouče a řezné nástroje; v konstrukčních materiálech (neprůstřelné vesty; automobilové díly); a také v zrcadlových substrátech pro astronomické teleskopy.

Mechanické vlastnosti

Karbid křemíku je druhý nejtvrdší materiál, hned po diamantu. Navíc je díky své trvanlivosti vhodný pro odolnost vůči tepelným šokům a ochranu proti korozi - vlastnosti, díky nimž se s oblibou používá v žáruvzdorných materiálech a pokročilých elektronických aplikacích.

SiC je vícevrstvý materiál s extrémně složitou krystalovou strukturou, která má různé formy v závislosti na uspořádání atomů křemíku a uhlíku, které tvoří jeho vrstvy, jež se kovalentně spojují v tetraedrických formacích a vytvářejí tak mimořádně pevný materiál s tvrdostí podle Mohse mezi 9 (oxid hlinitý) a 10 (diamant). Díky tomu je SiC extrémně pevná látka.

Dopování hliníku do křemíku činí materiál ještě tvrdším, čímž vzniká polovodič typu p. Při použití jako surový žáruvzdorný materiál vykazuje vynikající mechanické vlastnosti včetně vysoké pevnosti v tahu a odolnosti proti šíření trhlin.

Pevnost je tak velká, že se z něj dokonce dají tkát vlákna pro použití v průmyslových brzdách a spojkách, zatímco tvoří nedílnou součást evropské vesmírné mise BepiColombo k Merkuru; obsahuje ho i solární panely BepiColombo; vydrží i extrémní podmínky ve vesmíru!

Elektrické vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je výjimečný izolant a tepelný odpor a má také pozoruhodné elektrické vlastnosti. Jelikož se jedná o polovodič se širokým pásmem a třikrát vyšší energií přenosu elektronů ve srovnání s křemíkem, může SiC odolávat vyšším napětím a zároveň nabízet nižší odpor při vyšších teplotách, což vede ke zlepšení energetické účinnosti v systémech pro přeměnu energie.

SiC krystalizuje v těsné struktuře, která je kovalentně vázaná díky atomům křemíku a uhlíku, které tvoří velmi silné tetraedrické kovalentní vazby (vazebná energie 4,6 eV) sdílením elektronových párů prostřednictvím hybridních orbitalů, přičemž jejich rohy jsou vzájemně propojeny a vrstveny do polytypických útvarů zvaných polytypy.

Technologické aplikace krystalických forem karbidu křemíku alfa (a-SiC) a beta (b-SiC). A-SiC se vyznačuje hexagonální krystalovou strukturou, zatímco beta formy se skládají z krystalových struktur s centrovanou plochou. Přírodní zdroje mohou obsahovat malá množství alfa SiC, zatímco komerční výroba obvykle pochází ze zahřívání křemičitého písku s uhlíkem v elektrické odporové peci za účelem výroby komerčních druhů karbidu křemíku.