Silicio karbido kristalinės struktūros supratimas

Silicio karbidas yra labai stiprus cheminis junginys, pasižymintis plačios draustinės juostos puslaidininkio savybėmis. Natūraliai randamas kaip retas brangakmenis moisanitas ir gaminamas cheminio redukavimo procesų metu elektrinėse krosnyse.

Kietumas, standumas ir šiluminis laidumas - visa tai lemia, kad ši medžiaga yra patraukli astronominių teleskopų veidrodžiams gaminti. Be to, jo kristalinė struktūra išlieka stabili esant aukštai temperatūrai ir apsaugo nuo rūgštinių tirpalų ir korozijos.

Politifai

SiC gali kristalizuotis įvairiomis struktūromis, vadinamomis politipais. Kiekvienas politipas pasižymi savitomis savybėmis, dėl kurių yra naudingas elektros, optinėse ir šiluminėse srityse; prieš pasirenkant, kurį politipą naudoti, svarbu suprasti jų skirtumus.

Kiekvienam politipui būdinga savita rikiavimo seka ir gardelės geometrija, pavyzdžiui, 6H politipas nuo 15R politipo skiriasi šešiakampio simetrija, o silicio ir anglies atomų išsidėstymu. Be to, kiekvienas politipas turi savo stechiometriją, kuri turi didelę reikšmę politipo stabilumui.

Nors politipų yra labai daug, tik kai kurie iš jų yra svarbūs pramonei. Tai 4H ir 6H šešiakampės struktūros, taip pat 3C kubinė struktūra, paprastai vadinama b forma. Dėl mažos judrumo anizotropijos jie yra idealūs substratai didelio našumo prietaisams.

Pasiūlyta įvairių teorijų apie politipizmą, įskaitant termodinaminius ir dislokacijų modelius. Deja, nė viena teorija negali paaiškinti visų SiC politipų. Tačiau vienas populiarus paaiškinimas teigia, kad politipizmas atsiranda kristalui augant dėl laisvosios energijos pokyčių, atsirandančių dėl sistemos entropijos ir būsenos kintamųjų, pavyzdžiui, slėgio tūrio temperatūros, skirtumų.

Sukrovimo sekos

Silicio karbidas (SiC) pasižymi polipine prigimtimi, todėl gali būti įvairių kristalinių struktūrų. Kiekviena struktūra pasižymi skirtingomis fizikinėmis savybėmis, nes skiriasi sluoksnių išdėstymo sekos ir gardelės iškraipymai, kurie lemia jo kristalinę struktūrą, taip pat lemia platų cheminių ir fizikinių savybių spektrą.

Silicio karbido atomų išsidėstymas apibrėžia sluoksnių, kuriuose Si ir C atomai į sluoksnius išsidėsto augant, krovimo sekas. Si ir C atomai išsidėsto trimis konfigūracijomis, kad būtų kuo didesnis tankis; augimo metu šios trys konfigūracijos apibrėžia vadinamąją vienetinę ląstelę ir yra laikomos kristalinės struktūros dalimi. Priklausomai nuo to, kokios konfigūracijos sudaro šią ląstelę, priklausomai nuo šios vienetinės ląstelės konfigūracijų gali atsirasti šešiakampės glaudžiai sukomponuotos, veidą centruojančios kubinės arba romboedrinės formos.

Silicio karbido politipai išsiskiria skirtingomis elektrinėmis, optinėmis ir mechaninėmis savybėmis; šešiakampiai ir romboedriniai politipai vadinami A formomis, kubiniai politipai - B formomis. A formos medžiagos pasižymi maža judrumo anizotropija dėl tetraedrinės struktūros - dėl šių savybių ši medžiaga yra populiarus pasirinkimas didelio našumo astronominiams veidrodžiams ir erdvėlaivių komponentams gaminti.

Kristalografinė simetrija

Silicio karbidas yra daugiasluoksnis kristalas, kuris gali būti kelių skirtingų formų, vadinamų politipais. Kiekvienas politipas turi savitą kristalinę struktūrą, kurią apibrėžia silicio ir anglies atomų konfigūracijos, sudarančios tris konfigūracijas, glaudžiai supakuotas taip, kad būtų pasiekta artimiausia pakuotė. Politipo vienetinė ląstelė atspindi šį būdingą išsidėstymą ir lemia jo formą.

Wurtzito potipiai plačiai žinomi dėl savo šešiakampės simetrijos ir dažniau vadinami 6H arba 4H-SiC potipiais. Nors šią struktūrą galima užauginti ant nesilicio karbido substratų naudojant epitaksinius augimo procesus, jų kokybė išlieka palyginti prasta dėl daugybės juose esančių defektų ir dislokacijų.

Šiuo atveju defektai yra kraštinės dislokacijos, kurios sukelia sluoksnio poslinkį, todėl gaunami išsklaidyti ir iškraipyti wurtzitinio silicio karbido rentgeno spindulių modeliai. Tokios struktūros rodo, kad sistemoje nėra vienmatės netvarkos.

Silicio karbido kristalinės struktūros reikšmė vis didėja, nes jis vis plačiau naudojamas gamyboje ir technologijose. Dėl savo unikalių savybių silicio karbidas pasirodė esąs itin vertinga medžiaga įvairiose srityse. Nors Žemėje kaip natūrali mineralo forma jis yra retas, jo gausa kosmose akivaizdi - Murchisono meteoritas yra vienas iš tokių nepakeistų anglingų chondritų meteoritų, kuriuose jo yra, pavyzdžių; be to, jį galima pagaminti ir dirbtiniu būdu, iš pradinio taško naudojant vienodas silicio ir anglies proporcijas.

Fizikinės savybės

Silicio karbidas pasižymi daugeliu fizikinių savybių, dėl kurių jis tinka įvairioms reikmėms: nuo kietumo ir šilumos laidumo iki atsparumo cheminėms medžiagoms ir atsparumo šiluminiam plėtimosi procesui. Kaip patvari keramika jis dažnai naudojamas pramoniniuose abrazyvuose ar pjovimo įrankiuose; be to, iš jo galima gaminti p ir n tipo prietaisus, naudojant kontroliuojamus priemaišų dopingo procesus.

SiC kristalams būdinga tetraedrinė koordinacija, kai keturi silicio ir keturi anglies atomai susieti į sudėtingą tinklą, kuriame keturi silicio atomai ir keturi anglies atomai tarpusavyje sujungti į sudėtingą tinklą, primenantį deimantą. Dėl tokios jungčių struktūros SiC yra labai stiprus ir kietas. Silicio karbidas egzistuoja kaip daugybė kristalinių struktūrų savo viduje - 3C-SiC ir 4H-SiC yra du labiausiai paplitę politipai.

Silicio karbidas gali būti gaminamas įvairiais būdais, o kiekviena rūšis pasižymi skirtingomis fizikinėmis savybėmis. Dažniausiai gaminamas naudojant elektrinę krosnį ir įkaitintus aliuminio oksido ir kokso mišinius; taip pat gali būti naudojamas grynas kvarcinis smėlis arba suodžiai. Sukurti kristalai gali būti sumalti į miltelius, kurie naudojami kaip abrazyvas arba puslaidininkinė medžiaga.

Silicio karbidas gamtoje pasitaiko palyginti retai, tačiau jo vis dar galima rasti meteorituose ir kosminiuose objektuose, pavyzdžiui, Murchisono meteorite, kuriame yra nedideli kiekiai beta silicio karbido - dėl unikalios struktūrinės struktūros jis tinkamas naudoti kosmose.