Zrozumienie struktury krystalicznej węglika krzemu

Węglik krzemu jest niezwykle silnym związkiem chemicznym o właściwościach półprzewodnikowych z szerokim pasmem wzbronionym. Występuje naturalnie jako rzadki kamień szlachetny moissanit i jest wytwarzany w procesach redukcji chemicznej w piecach elektrycznych.

Twardość, sztywność i przewodność cieplna sprawiają, że jest to atrakcyjny materiał na zwierciadła w teleskopach astronomicznych. Co więcej, jego krystaliczna struktura pozostaje stabilna w wysokich temperaturach, zapewniając jednocześnie ochronę przed kwaśnymi roztworami i korozją.

Wielotypy

SiC może krystalizować w różnych strukturach znanych jako poliptypy. Każdy poliptyp oferuje swój własny zestaw właściwości, które sprawiają, że są one przydatne w zastosowaniach elektrycznych, optycznych i termicznych; ważne jest, aby zrozumieć różnice między nimi przed wyborem odpowiedniego poliptypu.

Każdy poliptyp ma swoją własną sekwencję układania i geometrię sieci; na przykład poliptyp 6H różni się od poliptypu 15R heksagonalną symetrią, a także odpowiednim rozmieszczeniem atomów krzemu i węgla. Co więcej, każdy z nich ma swoją własną stechiometrię, która odgrywa dużą rolę w stabilności podtypu.

Chociaż istnieje ogromna gama wielopostaci, tylko niektóre z nich mają znaczenie przemysłowe. Należą do nich struktury heksagonalne 4H i 6H, a także struktura sześcienna 3C, powszechnie znana jako b-forma. Ich niska anizotropia ruchliwości sprawia, że są to idealne podłoża dla urządzeń o wysokiej wydajności.

Zaproponowano różne teorie dotyczące poliptyzmu, w tym modele termodynamiczne i dyslokacyjne. Niestety, żadna pojedyncza teoria nie jest w stanie wyjaśnić wszystkich poliptypów SiC. Jednak jedno z popularnych wyjaśnień sugeruje, że poliptyzm występuje podczas wzrostu kryształów z powodu zmian energii swobodnej, które powstają z powodu różnic między entropią systemu a zmiennymi stanu, takimi jak temperatura objętościowa ciśnienia.

Układanie sekwencji

Węglik krzemu (SiC) jest znany ze swojej poliptycznej natury, umożliwiającej mu występowanie w różnych strukturach krystalicznych. Każda struktura wykazuje inne właściwości fizyczne ze względu na różnice w sekwencjach układania warstw i zniekształceniach sieci krystalicznej, które określają jej strukturę krystaliczną - a także przyczyniają się do szerokiej gamy właściwości chemicznych i fizycznych, które posiada.

Układ atomów węglika krzemu definiuje sekwencje układania w warstwach, w których atomy Si i C są ułożone w warstwy w procesie wzrostu. Atomy Si i C układają się w trzy konfiguracje, aby zmaksymalizować gęstość; podczas wzrostu te trzy konfiguracje definiują tak zwaną komórkę elementarną i są uważane za część struktury krystalicznej. W zależności od tego, które konfiguracje tworzą tę komórkę, w zależności od konfiguracji komórki elementarnej mogą pojawić się sześciokątne, sześcienne lub romboedryczne formy.

Wielotypy węglika krzemu wyróżniają się odmiennymi właściwościami elektrycznymi, optycznymi i mechanicznymi; sześciokątne i romboedryczne wielotypy znane są jako formy A; sześcienne wielotypy są oznaczone jako formy B. Materiały w formie A wyróżniają się niską anizotropią ruchliwości ze względu na ich czworościenną strukturę - właściwości, które sprawiają, że materiał ten jest popularnym wyborem dla wysokowydajnych luster astronomicznych i komponentów statków kosmicznych.

Symetria krystalograficzna

Węglik krzemu jest warstwowym kryształem, który może przybierać kilka różnych form, znanych jako poliptypy. Każdy poliptyp ma charakterystyczną strukturę krystaliczną zdefiniowaną przez konfiguracje atomów krzemu i węgla, które tworzą trzy konfiguracje w ścisłym upakowaniu, aby uzyskać najbliższe upakowanie. Komórka elementarna poliptypu reprezentuje ten charakterystyczny wzór i określa jego kształt.

Wielotypy wurcytu są powszechnie rozpoznawane ze względu na ich heksagonalną symetrię i są częściej określane jako wielotypy 6H lub 4H-SiC. Chociaż struktura ta może być hodowana na podłożach innych niż węglik krzemu przy użyciu procesów wzrostu epitaksjalnego, ich jakość pozostaje stosunkowo niska ze względu na szereg defektów i dyslokacji w nich obecnych.

W tym przypadku defektami są dyslokacje krawędziowe, które powodują przemieszczenie warstw, prowadząc do rozproszonych i zniekształconych wzorów rentgenowskich wurtzytu węglika krzemu. Takie struktury wskazują na brak jednowymiarowych zaburzeń w układzie.

Struktura krystaliczna węglika krzemu zyskała na znaczeniu ze względu na jego rosnące zastosowanie w produkcji i technologii, dzięki jego szerokiemu wykorzystaniu w obu sektorach. Ze względu na swoje unikalne właściwości, węglik krzemu okazał się niezwykle cennym materiałem w wielu zastosowaniach. Choć węglik krzemu jest rzadko spotykany na Ziemi jako naturalny minerał, jego obfitość w kosmosie jest oczywista, a meteoryt Murchison jest jednym z przykładów niezmienionych węglowych meteorytów chondrytowych zawierających węglik krzemu; co więcej, można go również wytwarzać sztucznie przy użyciu równych proporcji krzemu i węgla.

Właściwości fizyczne

Węglik krzemu posiada wiele właściwości fizycznych, które sprawiają, że nadaje się do wielu różnych zastosowań, od twardości i przewodności cieplnej po odporność chemiczną i odporność na rozszerzalność cieplną. Jako trwała ceramika jest często spotykany w przemysłowych materiałach ściernych lub narzędziach tnących; dodatkowo może być również wytwarzany w urządzeniach typu p i n poprzez kontrolowane procesy domieszkowania zanieczyszczeń.

Kryształy SiC charakteryzują się koordynacją tetraedryczną, z czterema atomami krzemu i czterema atomami węgla związanymi w skomplikowaną sieć przez cztery atomy krzemu i cztery atomy węgla w układzie przypominającym skomplikowany diament. Taka struktura wiązań sprawia, że SiC jest niezwykle wytrzymały i twardy. Węglik krzemu występuje w postaci wielu struktur krystalicznych - 3C-SiC i 4H-SiC to dwa najbardziej rozpowszechnione typy.

Węglik krzemu może być wytwarzany przy użyciu różnych procesów, a każdy jego rodzaj ma inne właściwości fizyczne. Najczęściej produkowany jest przy użyciu pieca elektrycznego i podgrzanych mieszanek tlenku glinu i koksu; można również użyć czystego piasku krzemionkowego lub sadzy. Po wytworzeniu, kryształy mogą być następnie zmielone na proszek do wykorzystania jako materiał ścierny lub półprzewodnikowy.

Węglik krzemu jest stosunkowo rzadki w przyrodzie, ale nadal można go znaleźć w meteorytach i obiektach kosmicznych, takich jak meteoryt Murchison zawierający niewielkie ilości węglika krzemu beta - jego unikalny skład strukturalny sprawia, że nadaje się do zastosowań kosmicznych.