Карбид кремния

Карбид кремния

Химическая формула:

SiC

Отн. молек. масса:

40,0962 а.е.м.

Молярная масса:

40,0962 г/моль

Термодинамика:

Состояние (ст. усл):

твёрдое тело

Твёрдость по Моосу:

9,1-9,5

Образование и разложение:

Температура разложения:

2830 °C3103,15 K <br />5126 °F <br />5585,67 °R <br />

Карби́д кре́мния, (карбору́нд) — бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. Кристаллы — SiC, бесцветные с алмазным блеском. В природе встречается в виде минерала — муассанита (минералог. назв.). Чистый карбид кремния бесцветен. Его оттенки от коричневого до черного цвета связаны с примесями железа. Радужный блеск кристаллов обуславливается тем, что при контакте с воздухом на их поверхности образуется плёнка из диоксида кремния, что приводит к пассивированию внешнего слоя.

Применение SiC

Карборунд техническое название карбида кремния используемого в технических целях в качестве абразива. Используется так же для изготовления деталей химической и металлургической аппаратуры, работающих в условиях высоких температур. Цвет карборунда может варьироваться от бесцветного, до зеленого или чёрного.

Карбид кремния является перспективным полупроводниковым материалом. Он представляет собой широкозонный полупроводник (ширина запрещённой зоны E_g=2,2÷3,2 эВ, в зависимости от модификации).

Тип проводимости карбида кремния зависит от примесей. Проводимость n-типа получается при легировании азотом или фосфором, а проводимость p-типа — с помощью алюминия, бора, галлия или бериллия. От типа и количества примеси сильно зависит электропроводность полученного материала.

Использование карбида кремния перспективно в силовой и СВЧ электронике в связи с высокими рабочими температурами, электрической прочностью и хорошей теплопроводностью. Широкая запрещенная зона открывает возможность использования карбида кремния в качестве материала для изготовления высокоэффективных светодиодов, охватывающих весь видимый диапазон спектра. Использование карбида кремния в качестве полупроводникового материала в настоящее время только начинается в связи с трудностью получения его высококачественных монокристаллов.

Карбид кремния используется как компонент композитной брони, применяемой для защиты вооружения и военной техники, а также в виде составного элемента слоистой брони керамика/органопластик в производстве бронежилетов. В бронежилете «Кожа дракона», созданном компанией Pinnacle Armor, используются диски из карбида кремния.

Из карбида кремния делают искусственные драгоценные камни для ювелирных изделий. Как ювелирный камень карбид кремния называется «синтетический муассанит» или просто «муассанит». Муассанит похож на алмаз: он прозрачен и тверд (9—9,5 по шкале Мооса, по сравнению с 10 для алмаза), с показателем преломления 2,65—2,69 (по сравнению с 2,42 для алмаза).

Свойства SiC

Тугоплавок (температура разложения 2830 °C), химически стоек, по твердости уступает лишь алмазу и нитриду бора — боразону.

Методы получения SiC

Простейшим способом производства является спекание кремнезема с углеродом в графитовой электропечи Ачесона при высокой температуре 1800—2300 °C из смеси кварцевого песка (51—55%), кокса (35—40%) с добавкой NaCI (1—5%) и древесных опилок (5—10%). $$~\mathsf{SiO_2 + 3C \xrightarrow{1600-2500^oC} SiC + 2CO}$$

Чистота карбида кремния, образующегося в печи Ачесона, зависит от расстояния до графитового электрода в печи. Кристаллы высокой чистоты бесцветного, бледно-жёлтого и зелёного цвета находятся ближе всего к электроду. С увеличением расстояния от электрода цвет изменяется на синий или черный из-за присутствия примесей.

Сложно получать сверхчистые кристаллы SiC. Из-за высоких значений температуры и давления, при которых существует расплав карбида кремния, классические методы получения из него монокристаллов не применимы.

Используют методы выращивания кристаллов SiC из газовой фазы или из растворов в расплаве. Большое распространение получил метод сублимации. В этом методе рост кристаллов карбида кремния происходит из газовой фазы в графитовых тиглях в атмосфере инертных газов при температуре 2500-2600 °C. Эпитаксиальные слои и твердые растворы на основе карбида кремния можно получать всеми известными методами, используемыми в полупроводниковой технологии. Технология формирования структур карбида кремния на подложках кремния принципиально не отличается от процессов получения кремниевых пленок. Гетероэпитаксиальные слои выращиваются методом газофазной эпитаксии в открытой системе. В качестве газа-носителя используется водород диффузионной очистки; в первой зоне свободный углерод связывается с водородом и переносится в зону роста полупроводниковой пленки.

Литература

• Карбид кремния: технология, свойства, применение/Под ред. Беляева А. Е., Конаковой Р. В. — Харьков. «ИСМА». 2010. — 532 с.