Štruktúra karbidu kremíka

Karbid kremíka je jeden z najtvrdších syntetických materiálov, druhý najtvrdší po diamante. Vďaka svojej neuveriteľnej tvrdosti slúži karbid kremíka ako základ keramických komponentov s dlhou životnosťou, ktoré sa používajú v automobilových brzdách a spojkách, ako aj v nepriestrelných vestách.

Edward Acheson prvýkrát syntetizoval umelý grafén v roku 1891 pomocou uhlíka a kremičitého piesku v elektrickej grafitovej peci. Prírodné exempláre sa nachádzajú aj v meteorite Canyon Diablo ako priehľadné minerály moissanitu.

Tetraedrická väzba

Karbid kremíka (SiC), prvýkrát umelo syntetizovaný v roku 1891 Edwardom Achesonom z Pensylvánie, sa už dlho používa ako priemyselné abrazívum a konštrukčný keramický materiál. SiC sa osvedčil najmä ako antiadhézna zlúčenina s vynikajúcou odolnosťou proti opotrebovaniu, preto nachádza široké uplatnenie ako priemyselné abrazívum aj v konštrukčnej keramike. Pevne kovalentne viazané atómy SiC vytvárajú veľmi silné kovalentné väzby (energia väzby = 4,6 eV), ktoré poskytujú uplatnenie najmä v drsných prostrediach; tieto kovalentné väzby navyše vytvárajú silné tetraedrické väzby zdieľaním elektrónových párov z hybridných orbitálov sp3; tieto silné väzby medzi jeho rohmi vytvárajú polárne útvary v jeho štruktúre, ktoré robia tento materiál.

Karbid kremíka má mnoho rôznych foriem, známych ako polytypy. Každý z nich má jedinečné chemické zloženie a tvorbu tetraedrického usporiadania väzieb medzi atómami kremíka a uhlíka, čo dáva materiálu jedinečné vlastnosti.

Hlavná mikroštruktúra karbidu kremíka sa mení s poklesom teploty počas tuhnutia. Pri vyšších teplotách sa jeho tetraedrická štruktúra sp3 mení na planárnu sp2, čo je spôsobené kratšími dĺžkami väzieb Si-C ako vzdialenosť C-Si v objemovom SiC.

Polytypy

Karbid kremíka obsahuje polytypy - kryštálové štruktúry, ktoré sa objavujú v rôznych pomeroch počas rastu materiálu - ktoré majú odlišné vlastnosti, ktoré môžu zmeniť výkon elektronických zariadení. Medzi bežné polytypy SiC patria 4H a 6H, ktoré majú mnohostranné využitie v mnohých aplikáciách, napríklad v polovodičových zariadeniach.

Existujú notačné schémy na opis kryštálovej štruktúry polytypov, pričom Ramsdellova notácia je jednou z takýchto schém, ktorá ju identifikuje podľa opakovania vrstiev a kryštálovej symetrie - to umožňuje kompaktný, ale informatívny opis bez toho, aby sa prezradili jej vnútorné atómové štruktúry. Ďalším pozoruhodným systémom zápisu je Zihl-Nelsonova symbolická notácia, ktorá identifikuje svoje zložky polytypy na základe postupnosti stohovania.

Karbid kremíka obsahuje množstvo polytypov, z ktorých sú pre technologické aplikácie zaujímavé len štyri hexagonálne a šesť romboedrických (dvojvrstvová periodicita ABAB s hexagonálnou symetriou charakterizuje 2H-SiC; ostatné nekubíkové polytypy sa môžu označovať písmenom H, zatiaľ čo tie, ktoré majú zmiešanú kubickú a romboedrickú symetriu, môžu namiesto toho používať písmená a číslice, napríklad 15R-SiC).

Kryštalografická štruktúra

Karbid kremíka kryštalizuje v intenzívne uzavretej štruktúre, pričom každá vrstva je kovalentne viazaná na susedné vrstvy a vytvára zložitú tetraedrickú sieť od wurtzitu (wurtz) až po zinok-blende (4H-SiC). Každý polytyp možno identifikovať podľa špecifickej postupnosti stohovania atómov Si a C - keďže bočné translácie a rotácie by neboli energeticky uskutočniteľné, vrstvy sa časom dezorganizujú a vedú k rôznym štruktúram.

Kryštalografické štruktúry možno opísať pomocou ich symetrie definovanej usporiadaním atómov a dĺžkou, šírkou a uhlami hlavných osí jednotkovej bunky. Atómy v každej jednotkovej bunke sú usporiadané podľa chemických a geometrických vlastností - najmä v prípade polytypov kremíka a uhlíka, ako je polytyp 4H-SiC, má ich usporiadanie vysokú symetriu.

Vysoko kryštalická štruktúra karbidu kremíka ho robí vysoko odolným voči chemickým vplyvom, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie výkonovej elektroniky, v ktorých je potrebné tolerovať vysoké teploty. SiC sa v súčasnosti teší nebývalému nárastu popularity v oblasti výkonovej elektroniky vďaka svojim výnimočným fyzikálnym a elektronickým vlastnostiam - jeho odolnosť voči vysokým teplotám ho robí obzvlášť užitočným ako alternatívny materiál pre polovodiče a oxidovú keramiku, ktoré často nemajú dostatočnú odolnosť voči vysokým teplotám. K dispozícii sú rôzne polymorfné kryštalické štruktúry (4H-SiC je obzvlášť vhodný pre aplikácie s vysokým výkonom).

Vlastnosti

Karbid kremíka, označovaný aj ako karborundum, je extrémne tvrdý a krehký materiál s mnohými možnosťami využitia. Medzi bežné príklady patria brúsivá a rezné nástroje; konštrukčné materiály (nepriestrelné vesty a kompozitné panciere); brzdové kotúče automobilov; bleskozvody; materiál zrkadiel bleskozvodov v teleskopoch; ako aj materiál zrkadiel používaný ako zrkadlový materiál. Vďaka vysokému bodu topenia, nízkej hustote a sublimačným teplotným vlastnostiam je vynikajúcou voľbou pre mnohé operácie pri vysokých teplotách, ako sú napríklad brzdové kotúče automobilov alebo zrkadlový materiál používaný ako zrkadlový materiál v teleskopoch.

Kremík a uhlík v karbide kremíka sú spojené kovalentnými väzbami. Ich elektrónové páry sa delia v hybridných orbitáloch sp3 a vytvárajú veľmi silné tetraedrické kovalentné väzby, ktoré dávajú karbidu kremíka jeho jedinečné a žiaduce vlastnosti.

Karbid kremíka sa od kremíka líši tým, že jeho pásová medzera je širšia, čo mu umožňuje odolávať vyšším elektrickým poliam a pracovať pri vyšších rýchlostiach. Vďaka svojim elektrickým vlastnostiam je preto nepostrádateľným komponentom pre zariadenia výkonovej elektroniky v náročných podmienkach, najmä pre systémy konverzie energie.

Vysoký bod topenia, nízka hustota, vysoká teplota sublimácie a vynikajúca tepelná vodivosť - to všetko dohromady robí z uhlíkových vlákien neoceniteľný doplnok v mnohých rôznych aplikáciách. Je vysoko odolné voči korózii, zatiaľ čo jeho chemická stabilita mu umožňuje znášať vysoké teploty pri dlhodobom používaní; okrem toho jeho vynikajúca tepelná účinnosť rýchlo a účinne odvádza trecie teplo.