Apa Itu Struktur Silikon Karbida?

Silikon karbida adalah bahan yang sangat keras dengan peringkat kekerasan Mohs 9 yang menyaingi berlian. Selain itu, bahan ini memiliki ketahanan kimia dan sifat konduktivitas termal yang luar biasa.

Pada skala industri, busa poliuretan diproduksi melalui reaksi elektrokimia antara pasir dan karbon pada suhu tinggi, menghasilkan berbagai kekerasan, kekakuan, dan konduktivitas termal yang membuatnya ideal untuk berbagai penggunaan.

Sifat Fisik

Silikon karbida (SiC) adalah senyawa kristal yang sangat keras, rapuh, dan terbuat dari silikon dan karbon yang telah lama digunakan sebagai bahan abrasif industri sejak akhir abad ke-19, yang digunakan untuk roda gerinda, perkakas potong, dan lapisan tahan api. Selain itu, SiC juga dapat berfungsi sebagai bahan semikonduktor yang sangat baik karena sifat konduktivitas termalnya yang sangat baik, ketahanan terhadap serangan bahan kimia, sifat kekuatan suhu tinggi, karakteristik konduktivitas termal, serta sifat kelembaman bahan kimia.

Edward G. Acheson adalah orang pertama yang mensintesis carborundum secara artifisial pada tahun 1891 dalam upaya mensintesis berlian sintetis. Acheson memanaskan campuran silika-karbon dengan listrik dalam tungku listrik hingga ia memperoleh kristal hitam menyerupai berlian yang ia sebut sebagai karborundum.

Moissanite yang terbentuk secara alami dapat ditemukan dalam jumlah kecil pada beberapa jenis meteorit tertentu dan pada endapan kimberlite dan korundum; namun, hampir semua SiC yang dijual saat ini dibuat secara sintetis dari bahan sintetis. Ada berbagai macam polytype SiC; yang paling sering terlihat adalah SiC heksagonal yang dikenal sebagai a-SiC dengan struktur kristal campuran seng yang mirip dengan berlian; meskipun modifikasi beta dengan struktur campuran seng kurang lazim.

Sifat Kimia

Silikon karbida (SiC) baru-baru ini kembali populer sebagai bahan teknologi yang penting, berkat sifat fisik dan elektroniknya yang luar biasa. Perangkat daya SiC yang andal dapat mencapai frekuensi switching yang lebih tinggi dengan kehilangan energi yang minimal, membuatnya lebih kecil dan lebih hemat energi daripada rekan-rekan mereka dalam semikonduktor konvensional.

Silikon karbida kristal mengkristal dalam struktur padat yang terdiri dari atom Si dan C yang berikatan secara kovalen yang disusun menjadi dua tetrahedra koordinasi primer dengan ikatan pi yang terbentuk dari orbital p yang tumpang tindih dan ikatan sigma yang terbentuk dari orbital s yang tumpang tindih, yang disatukan melalui ikatan pi yang terbentuk dari ikatan pi dan ikatan sigma secara berurutan.

Komposisi kimia SiC sangat bervariasi, tergantung pada jenis polikristalin dan metode produksinya. Meskipun SiC murni tidak berwarna, pengotor menambah karakternya dengan memberikan warna mulai dari hijau hingga kuning dan hitam kebiruan. Selain itu, SiC dapat menahan sebagian besar asam organik dan anorganik, garam, alkali pada berbagai konsentrasi kecuali asam fluorida dan asam fluorida yang dapat merusak integritasnya.

Kuarsa adalah bahan yang sangat keras dan tangguh yang digunakan sebagai semikonduktor abrasif dan mirip berlian. Bahan ini dapat ditemukan dalam produk seperti amplas, roda gerinda dan alat pemotong; bahan struktural (rompi antipeluru; suku cadang mobil); serta substrat cermin untuk teleskop astronomi.

Sifat Mekanis

Silikon karbida adalah bahan terkeras kedua, kedua setelah berlian. Selain itu, daya tahannya membuatnya cocok untuk ketahanan terhadap goncangan termal dan perlindungan korosi - karakteristik yang membuatnya populer digunakan dalam refraktori dan aplikasi elektronik tingkat lanjut.

SiC adalah bahan berlapis-lapis dengan struktur kristal yang sangat kompleks yang hadir dalam berbagai bentuk tergantung pada bagaimana atom silikon dan karbon disusun, membentuk lapisan-lapisannya yang secara kovalen berikatan dalam formasi tetrahedral untuk membentuk bahan super kuat dengan peringkat kekerasan Mohs antara 9 (alumina) dan 10 (berlian). Hal ini membuat SiC menjadi bahan yang sangat kuat.

Doping aluminium ke dalam silikon membuat bahan menjadi lebih keras, menghasilkan semikonduktor tipe-p. Ketika digunakan sebagai bahan baku refraktori, bahan ini menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik termasuk kekuatan tarik tinggi dan ketahanan perambatan retak.

Kekuatannya begitu besar sehingga dapat ditenun menjadi serat untuk digunakan dalam rem dan cengkeraman industri, sementara itu, ia merupakan komponen integral dari misi luar angkasa BepiColombo Eropa ke Merkurius; panel surya BepiColombo juga mengandungnya; ia dapat bertahan bahkan dalam kondisi ekstrem di luar angkasa!

Properti Listrik

Silikon karbida (SiC) adalah isolator dan penahan panas yang luar biasa, serta memiliki sifat kelistrikan yang luar biasa. Sebagai semikonduktor celah pita lebar dengan energi transfer elektron tiga kali lebih tinggi dibandingkan dengan silikon, hal ini memungkinkan SiC untuk menahan tegangan yang lebih tinggi sekaligus menawarkan resistensi yang lebih rendah pada suhu yang lebih tinggi sehingga menghasilkan efisiensi energi yang lebih baik dalam sistem konversi daya.

SiC mengkristal dalam struktur padat yang terikat secara kovalen, berkat atom silikon dan karbon yang membentuk ikatan kovalen tetrahedral yang sangat kuat (energi ikatan 4,6eV) dengan berbagi pasangan elektron melalui orbital hibrida, dengan sudut-sudut yang saling terhubung dan berlapis-lapis untuk membentuk formasi polytype yang disebut politipe.

Aplikasi teknologi bentuk kristal silika karbida alfa (a-SiC) dan beta (b-SiC). A-SiC memiliki struktur kristal heksagonal sementara bentuk beta terdiri dari struktur kristal kubik yang berpusat pada permukaan. Sumber-sumber alami mungkin mengandung sejumlah kecil alfa SiC sementara produksi komersial biasanya berasal dari pemanasan pasir silika dengan karbon dalam tungku tahan listrik untuk menghasilkan silika karbida kelas komersial.