Карбид кремния ( SiC ), также известный как карборунд ( / ˌ k ɑːr b ə ˈ r ʌ n d əm / ), представляет собой твердое химическое соединение, содержащее кремний и углерод . Полупроводник , он встречается в природе как чрезвычайно редкий минерал муассанит , но с 1893 года его массово производят в виде порошка и кристаллов для использования в качестве абразива . Зерна карбида кремния можно скрепить вместе путем спекания с образованием очень твердой керамики , которая широко используется в устройствах, требующих высокой прочности, таких как автомобильные тормоза, автомобильные сцепления и керамические пластины в бронежилетах . Большие монокристаллы карбида кремния можно вырастить методом Лели и огранить на драгоценные камни, известные как синтетический муассанит.
Электронные применения карбида кремния, такие как светоизлучающие диоды (светодиоды) и детекторы в первых радиоприемниках, были впервые продемонстрированы примерно в 1907 году. Карбид кремния используется в устройствах полупроводниковой электроники, которые работают при высоких температурах или высоких напряжениях, или и том, и другом.
Встречающийся в природе муассанит встречается лишь в незначительных количествах в некоторых типах метеоритов , корундовых месторождениях и кимберлитах . Практически весь карбид кремния, продаваемый в мире, включая украшения из муассанита, является синтетическим .
Природный муассанит был впервые обнаружен в 1893 году как небольшой компонент метеорита Каньон Диабло в Аризоне Фердинандом Анри Муассаном , в честь которого этот материал был назван в 1905 году. [7] Открытие Муассаном природного карбида кремния первоначально оспаривалось, поскольку его образец мог быть загрязнены пилами из карбида кремния , которые уже были на рынке в то время. [8]
Хотя карбид кремния редко встречается на Земле, он чрезвычайно распространен в космосе. Это распространенная форма звездной пыли , встречающаяся вокруг звезд, богатых углеродом , и примеры этой звездной пыли были обнаружены в первозданном состоянии в примитивных (неизмененных) метеоритах. Карбид кремния, обнаруженный в космосе и в метеоритах, почти исключительно представляет собой бета-полиморфную модификацию . Анализ зерен SiC, обнаруженных в метеорите Мерчисон , углеродистом хондритовом метеорите, выявил аномальные изотопные соотношения углерода и кремния, что указывает на то, что эти зерна возникли за пределами Солнечной системы. [9]
Несистематические, менее признанные и часто непроверенные способы синтеза карбида кремния включают:
Широкомасштабное производство приписывается Эдварду Гудричу Ачесону в 1891 году. [11] Ачесон пытался получить искусственные алмазы, нагревая смесь глины (силиката алюминия) и порошкообразного кокса (углерода) в железной чаше. Синие кристаллы, образовавшие карборунд , он назвал карборундом , полагая, что это новое соединение углерода и алюминия, похожее на корунд . Муассан также синтезировал SiC несколькими способами, включая растворение углерода в расплавленном кремнии, плавление смеси карбида кальция и кремнезема и восстановление кремнезема углеродом в электрической печи.
Ачесон запатентовал метод изготовления порошка карбида кремния 28 февраля 1893 года. [12] Ачесон также разработал электрическую печь периодического действия, с помощью которой карбид кремния производится до сих пор, и основал компанию Carborundum для производства объемного карбида кремния, первоначально для использования в качестве абразива. [13] В 1900 году компания заключила договор с Electric Smelting and Aluminium Company, когда решение судьи дало «широкий приоритет» ее основателям «для восстановления руд и других веществ методом накаливания». [14]
Первое использование SiC было в качестве абразива. Затем последовали электронные заявки. В начале 20 века карбид кремния использовался в качестве детектора в первых радиоприемниках. [15] В 1907 году Генри Джозеф Раунд изготовил первый светодиод, подав напряжение на кристалл SiC и наблюдая желтое, зеленое и оранжевое излучение на катоде. Позже эффект был переоткрыт О. В. Лосевым в Советском Союзе в 1923 г. [16].
Поскольку природный муассанит чрезвычайно редок, большая часть карбида кремния является синтетическим. Карбид кремния используется в качестве абразива, а также полупроводника и имитатора алмаза ювелирного качества. Самый простой процесс производства карбида кремния - это объединение кварцевого песка и углерода в графитовой электропечи сопротивления Acheson при высокой температуре, от 1600 ° C (2910 ° F) до 2500 ° C (4530 ° F). Мелкие частицы SiO 2 в растительном материале (например, рисовой шелухе) можно превратить в SiC путем нагревания избыточного углерода из органического материала. [17] Микрокремнезем , который является побочным продуктом производства металлического кремния и сплавов ферросилиция, также может быть преобразован в SiC путем нагревания с графитом при 1500 °C (2730 °F) . [18]
Чистота материала, образующегося в печи Ачесона, варьируется в зависимости от его расстояния от источника тепла графитового резистора . Бесцветные, бледно-желтые и зеленые кристаллы имеют наибольшую чистоту и находятся ближе всего к резистору. Цвет меняется на синий и черный на большем расстоянии от резистора, и эти более темные кристаллы менее чистые. Азот и алюминий являются обычными примесями и влияют на электропроводность SiC. [19]
Чистый карбид кремния может быть изготовлен с помощью процесса Лели [20] , в котором порошок SiC сублимируется в высокотемпературные разновидности кремния, углерода, дикарбида кремния (SiC 2 ) и карбида дискремния (Si 2 C) в атмосфере аргона . при 2500 °С и переосаждаются в чешуйчатые монокристаллы [21] размером до 2 × 2 см на несколько более холодной подложке. Этот процесс дает высококачественные монокристаллы, в основном фазы 6H-SiC (из-за высокой температуры роста).
Модифицированный процесс Лели, включающий индукционный нагрев в графитовых тиглях , дает еще более крупные монокристаллы диаметром 4 дюйма (10 см), имеющие сечение в 81 раз больше по сравнению с традиционным процессом Лели. [22]
Кубический SiC обычно выращивается с помощью более дорогого процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD) силана, водорода и азота. [19] [23] Гомоэпитаксиальные и гетероэпитаксиальные слои SiC можно выращивать, используя подходы как газовой, так и жидкой фазы. [24]
Для формирования SiC сложной формы в качестве прекурсоров можно использовать прекерамические полимеры , которые формируют керамический продукт путем пиролиза при температурах в диапазоне 1000–1100 ° C. [25] Материалы-прекурсоры для получения карбида кремния таким способом включают поликарбосиланы, поли(метилсилины) и полисилазаны. [26] Карбидокремниевые материалы, полученные пиролизом прекерамических полимеров , известны как керамика, полученная из полимеров, или PDC. Пиролиз прекерамических полимеров чаще всего проводят в инертной атмосфере при относительно низких температурах. По сравнению с процессом CVD метод пиролиза имеет преимущества, поскольку полимеру можно придать различные формы перед термизацией в керамику. [27] [28] [29] [30]
SiC также можно превратить в пластины, разрезав монокристалл либо с помощью алмазной канатной пилы, либо с помощью лазера. SiC — полезный полупроводник, используемый в силовой электронике. [31]
Карбид кремния существует примерно в 250 кристаллических формах. [32] Путем инертного атмосферного пиролиза прекерамических полимеров также производится карбид кремния в стеклоаморфной форме. [33] Полиморфизм SiC характеризуется большим семейством подобных кристаллических структур, называемых политипами. Это вариации одного и того же химического соединения, идентичные в двух измерениях и различающиеся в третьем. Таким образом, их можно рассматривать как слои, расположенные в определенной последовательности. [34]
Альфа-карбид кремния (α-SiC) является наиболее часто встречающейся полиморфной модификацией , образуется при температуре выше 1700 ° C и имеет гексагональную кристаллическую структуру (похожую на вюрцит ). Бета-модификация (β-SiC) с кристаллической структурой цинковой обманки (похожая на алмаз ) образуется при температуре ниже 1700 °C. [35] До недавнего времени бета-форма имела относительно небольшое коммерческое применение, хотя в настоящее время растет интерес к ее использованию в качестве носителя для гетерогенных катализаторов из-за ее более высокой площади поверхности по сравнению с альфа-формой.
Чистый SiC бесцветен. Цвет промышленного продукта от коричневого до черного обусловлен примесями железа . [39] Радужный блеск кристаллов обусловлен тонкопленочной интерференцией пассивационного слоя диоксида кремния , который образуется на поверхности.
Высокая температура сублимации SiC (около 2700 °C) делает его полезным для подшипников и деталей печей. Карбид кремния не плавится, а начинает сублимироваться при температуре около 2700 °C, как графит, имея заметное давление паров вблизи этой температуры. Он также очень инертен химически, отчасти из-за образования тонкого пассивированного слоя SiO2. В настоящее время существует большой интерес к его использованию в качестве полупроводникового материала в электронике, где его высокая теплопроводность, высокая сила пробоя электрического поля и высокая максимальная плотность тока делают его более перспективным, чем кремний, для мощных устройств. [40] SiC имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , составляющий около 2,3 × 10 -6 К -1 около 300 К (для 4H и 6H SiC) и не испытывает фазовых переходов в диапазоне температур от 5 до 340 К, которые могли бы вызвать разрывы сплошности. по коэффициенту теплового расширения. [19] [38]
Карбид кремния — это полупроводник , который может быть легирован азотом или фосфором n-типа, а бериллием , бором , алюминием или галлием p-типа . [5] Металлическая проводимость достигается за счет сильного легирования бором, алюминием или азотом.
Сверхпроводимость была обнаружена в 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B при одинаковых температурах ~1,5 К. [35] [41] Однако наблюдается критическая разница в поведении магнитного поля между алюминием и бором. легирование: 3C-SiC:Al относится к типу II . Напротив, 3C-SiC:B относится к типу I , как и 6H-SiC:B. Таким образом, сверхпроводящие свойства, по-видимому, больше зависят от примеси (B по сравнению с Al), чем от политипа (3C- по сравнению с 6H-). В попытке объяснить эту зависимость было отмечено, что B замещает позиции C в SiC, а Al замещает позиции Si. Следовательно, Al и B «видят» разную среду в обоих политипах. [42]
В искусстве карбид кремния является популярным абразивом в современной гранильной обработке благодаря долговечности и низкой стоимости материала. В производстве он используется из-за своей твердости в процессах абразивной обработки , таких как шлифование , хонингование , гидроабразивная резка и пескоструйная обработка . Карбид кремния представляет собой гораздо более острую и твердую альтернативу пескоструйной очистке по сравнению с оксидом алюминия . Частицы карбида кремния наслаиваются на бумагу для изготовления наждачной бумаги и ленты для скейтбордов . [43]
В 1982 году был обнаружен исключительно прочный композит из нитевидных кристаллов оксида алюминия и карбида кремния . Разработка этого лабораторного композита до коммерческого продукта заняла всего три года. В 1985 году на рынок были представлены первые коммерческие режущие инструменты, изготовленные из этого композита, армированного оксидом алюминия и карбида кремния. [44]
В 1980-х и 1990-х годах карбид кремния изучался в нескольких исследовательских программах для высокотемпературных газовых турбин в Европе , Японии и США . Компоненты предназначались для замены лопаток турбины или сопловых аппаратов из никелевого суперсплава . [45] Однако ни один из этих проектов не привел к серийному производству, главным образом из-за его низкой ударопрочности и низкой вязкости разрушения . [46]
Как и другая твердая керамика (а именно оксид алюминия и карбид бора ), карбид кремния используется в композитной броне (например, в броне Чобхэма ), а также в керамических пластинах в бронежилетах. Dragon Skin , которую производила компания Pinnacle Armor , использовала диски из карбида кремния. [47] Улучшению вязкости разрушения SiC-брони можно способствовать за счет явления аномального роста зерен или AGG. Рост аномально длинных зерен карбида кремния может служить для придания эффекта упрочнения за счет перекрытия трещин, аналогично армированию усами. Аналогичные эффекты повышения прочности AGG наблюдались в нитриде кремния (Si 3 N 4 ). [48]
Карбид кремния используется в качестве материала опоры и полок в высокотемпературных печах, например, при обжиге керамики, плавлении стекла или литье стекла. Полки печи из карбида кремния значительно легче и долговечнее, чем традиционные полки из оксида алюминия. [49]
В декабре 2015 года вливание наночастиц карбида кремния в расплавленный магний было упомянуто как способ получения нового прочного и пластичного сплава, пригодного для использования в аэронавтике, аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и микроэлектронике. [50]
Карбон-углеродный композит, пропитанный кремнием , используется для изготовления высокопроизводительных «керамических» тормозных дисков , поскольку они способны выдерживать экстремальные температуры. Кремний реагирует с графитом в углеродно-углеродном композите, образуя карбид кремния, армированный углеродным волокном (C/SiC). Эти тормозные диски используются на некоторых дорожных спортивных автомобилях, суперкарах, а также других автомобилях с высокими характеристиками, включая Porsche Carrera GT , Bugatti Veyron , Chevrolet Corvette ZR1 , McLaren P1 , [51] Bentley , Ferrari , Lamborghini и некоторых других . конкретные высокопроизводительные автомобили Audi . Карбид кремния также используется в спеченной форме для сажевых фильтров . [52] Он также используется в качестве присадки к маслу [ сомнительно ] [ нужны разъяснения ] для снижения трения, выбросов и гармоник. [53] [54]
Карбид кремния используется в тиглях для удерживания плавящегося металла в малых и крупных литейных производствах. [55] [56]
Самым ранним электрическим применением SiC была защита от перенапряжения в грозовых разрядниках в электроэнергетических системах. Эти устройства должны проявлять высокое сопротивление до тех пор, пока напряжение на них не достигнет определенного порога V T , после чего их сопротивление должно упасть до более низкого уровня и поддерживать этот уровень до тех пор, пока приложенное напряжение не упадет ниже V T , смывая ток в землю. [57]
Это было признано рано [ когда? ] что SiC имел такое сопротивление, зависящее от напряжения, и поэтому колонны таблеток SiC были подключены между высоковольтными линиями электропередачи и землей. Когда удар молнии в линию значительно повышает напряжение в линии, столбик SiC будет проводить ток, позволяя току удара безвредно проходить на землю, а не вдоль линии электропередачи. Колонки SiC показали значительную проводимость при нормальном рабочем напряжении линии электропередачи, поэтому их пришлось размещать последовательно с искровым разрядником . Этот искровой промежуток ионизируется и становится проводящим, когда молния повышает напряжение в проводнике линии электропередачи, тем самым эффективно соединяя столбец SiC между силовым проводником и землей. Искровые разрядники, используемые в молниеотводах, ненадежны: они либо не зажигают дугу, когда это необходимо, либо не отключаются впоследствии, в последнем случае из-за разрушения материала или загрязнения пылью или солью. Первоначально использование колонн SiC было предназначено для устранения необходимости использования искрового промежутка в молниезащитных разрядниках. Разрядники SiC с зазором использовались для молниезащиты и продавались, в частности, под торговыми марками GE и Westinghouse . Разрядник SiC с зазором был в значительной степени заменен варисторами без зазора , в которых используются столбцы из таблеток оксида цинка . [58]
Карбид кремния был первым коммерчески важным полупроводниковым материалом. Кристаллический радиодетекторный диод «карборунд» (синтетический карбид кремния) был запатентован Генри Харрисоном Чейзом Данвуди в 1906 году. Он рано нашел применение в корабельных приемниках.
В 1993 году карбид кремния считался полупроводником как в исследованиях, так и на раннем этапе массового производства , что давало преимущества для быстродействующих, высокотемпературных и/или высоковольтных устройств. Первыми доступными устройствами были диоды Шоттки , а затем полевые транзисторы с переходным затвором и МОП-транзисторы для переключения высокой мощности. Описаны биполярные транзисторы и тиристоры . [40]
Основной проблемой при коммерциализации SiC было устранение дефектов: краевых дислокаций, винтовых дислокаций (как полых, так и закрытых), треугольных дефектов и дислокаций базовой плоскости. [59] В результате устройства, изготовленные из кристаллов SiC, изначально демонстрировали плохую эффективность обратной блокировки, хотя исследователи в предварительном порядке находят решения для улучшения характеристик пробоя. [60] Помимо качества кристалла, проблемы с интерфейсом SiC с диоксидом кремния препятствовали развитию силовых МОП-транзисторов на основе SiC и биполярных транзисторов с изолированным затвором . Хотя механизм до сих пор не ясен, азотирование значительно уменьшило количество дефектов, вызывающих проблемы с интерфейсом. [61]
В 2008 году на рынок были представлены первые коммерческие полевые транзисторы на напряжение 1200 В [62] , а в 2011 году появились первые коммерческие полевые МОП-транзисторы на напряжение 1200 В. Сейчас доступны JFET на напряжение от 650 В до 1700 В с сопротивлением всего 25 мОм. . Помимо SiC-переключателей и SiC-диодов Шоттки (также диодов с барьером Шоттки, SBD ) в популярных корпусах TO-247 и TO-220 , компании еще раньше начали внедрять голые чипы в свои силовые электронные модули .
Диоды SiC SBD нашли широкое распространение на рынке и используются в схемах PFC и силовых модулях IGBT . [63] Такие конференции, как Международная конференция по интегрированным системам силовой электроники (CIPS), регулярно сообщают о технологическом прогрессе силовых устройств SiC. Основными задачами на пути полного раскрытия возможностей силовых устройств на основе карбида кремния являются:
Начиная с Tesla Model 3, инверторы в приводном блоке используют 24 пары микросхем MOSFET из карбида кремния (SiC) , рассчитанных на напряжение 650 В каждая. Карбид кремния в данном случае дал Tesla значительное преимущество перед чипами из кремния по размеру и весу. Ряд производителей автомобилей планируют включать карбид кремния в силовую электронику в свою продукцию. Прогнозируется значительный рост производства карбида кремния, начиная с крупного завода, открытого в 2022 году компанией Wolfspeed в северной части штата Нью-Йорк. [66] [67]
Явление электролюминесценции было открыто в 1907 году с использованием карбида кремния, а первые коммерческие светодиоды были основаны на SiC. Желтые светодиоды из 3C-SiC производились в Советском Союзе в 1970-х годах [68] , а синие светодиоды (6H-SiC) во всем мире — в 1980-х годах. [69]
Производство карбидных светодиодов вскоре прекратилось, когда другой материал, нитрид галлия , показал в 10–100 раз более яркое излучение. Эта разница в эффективности обусловлена неблагоприятной непрямой запрещенной зоной SiC, тогда как GaN имеет прямую запрещенную зону , которая способствует излучению света. Тем не менее, SiC по-прежнему остается одним из важных компонентов светодиодов: это популярная подложка для выращивания GaN-устройств, а также он служит распределителем тепла в мощных светодиодах. [69]
Низкий коэффициент теплового расширения, [38] высокая твердость, жесткость и теплопроводность делают карбид кремния желательным зеркальным материалом для астрономических телескопов. Технология выращивания ( химическое осаждение из паровой фазы ) была масштабирована для производства дисков поликристаллического карбида кремния диаметром до 3,5 м (11 футов), а несколько телескопов, таких как космический телескоп Гершель, уже оснащены оптикой SiC, [70] [71 ] а также подсистемы космического корабля космической обсерватории «Гайя» установлены на жестком каркасе из карбида кремния, который обеспечивает стабильную конструкцию, которая не будет расширяться или сжиматься из-за тепла.
Волокна карбида кремния используются для измерения температуры газа с помощью оптического метода, называемого пирометрией с тонкими нитями. Он предполагает помещение тонкой нити в поток горячего газа. Радиационное излучение нити накала можно коррелировать с температурой нити. Нити представляют собой волокна SiC диаметром 15 микрометров, что составляет примерно одну пятую диаметра человеческого волоса. Поскольку волокна настолько тонкие, они мало влияют на пламя, и их температура остается близкой к температуре местного газа. Могут быть измерены температуры около 800–2500 К. [72] [73]
Упоминания о нагревательных элементах из карбида кремния существуют с начала 20 века, когда они производились компаниями Acheson's Carborundum Co. в США и EKL в Берлине. Карбид кремния обеспечивает более высокие рабочие температуры по сравнению с металлическими нагревателями. Карбидокремниевые элементы сегодня используются при плавке стекла и цветных металлов, термообработке металлов, производстве флоат-стекла , производстве керамики и компонентов электроники, воспламенителях в контрольных лампах газовых обогревателей и т.д. [74]
Внешний термозащитный слой надувного теплозащитного экрана LOFTID НАСА включает в себя плетеную керамику из карбида кремния с волокном такого малого диаметра, что его можно связать в пучок и сплести в пряжу. [75]
Карбид кремния является важным материалом в топливных частицах с покрытием TRISO , типе ядерного топлива , используемого в высокотемпературных реакторах с газовым охлаждением, таких как реакторы с галечным слоем . Слой карбида кремния обеспечивает структурную поддержку покрытых частиц топлива и является основным диффузионным барьером на пути выхода продуктов деления. [76]
Композитный материал карбида кремния исследовался на предмет использования в качестве замены оболочки из циркалоя в легководных реакторах . Одной из причин этого исследования является то, что циркалой подвергается водородному охрупчиванию вследствие реакции коррозии с водой. Это приводит к снижению вязкости разрушения с увеличением объемной доли радиальных гидридов. Это явление резко усиливается с повышением температуры в ущерб материалу. [77] Плакировка из карбида кремния не подвергается такому же механическому разрушению, но вместо этого сохраняет прочностные свойства при повышении температуры. Композит состоит из волокон SiC, обернутых вокруг внутреннего слоя SiC и окруженных внешним слоем SiC. [78] Сообщалось о проблемах с возможностью соединения частей композита SiC. [79]
В качестве драгоценного камня , используемого в ювелирных изделиях , карбид кремния называют «синтетическим муассанитом» или просто «муассанитом» по названию минерала. Муассанит похож на алмаз в нескольких важных отношениях: он прозрачен и тверд (9–9,5 по шкале Мооса по сравнению с 10 для алмаза), с показателем преломления от 2,65 до 2,69 (по сравнению с 2,42 для алмаза). Муассанит несколько тверже обычного кубического циркония . В отличие от алмаза, муассанит может иметь сильное двойное лучепреломление . По этой причине муассаниты огранены вдоль оптической оси кристалла, чтобы минимизировать эффект двойного лучепреломления. Он легче (плотность 3,21 г/см 3 против 3,53 г/см 3 ) и гораздо более устойчив к нагреву, чем алмаз. В результате камень становится более блестящим , с более острыми гранями и хорошей устойчивостью. Свободные камни муассанита можно помещать непосредственно в формы для восковых колец для литья по выплавляемым моделям, как и алмаз, [80] поскольку муассанит остается неповрежденным при температуре до 1800 ° C (3270 ° F). Муассанит стал популярен в качестве заменителя алмаза и может быть ошибочно принят за алмаз, поскольку его теплопроводность ближе к алмазу, чем к любому другому заменителю. Многие устройства для термического тестирования алмазов не могут отличить муассанит от алмаза, но этот драгоценный камень отличается двойным лучепреломлением и очень слабой зеленой или желтой флуоресценцией в ультрафиолетовом свете. Некоторые камни муассанита также имеют изогнутые, похожие на струны включения, которых никогда не бывает у алмазов. [81]
Карбид кремния, растворенный в кислородной печи , используемой для производства стали , действует как топливо . Высвобождаемая дополнительная энергия позволяет печи перерабатывать больше лома при той же загрузке чугуна. Его также можно использовать для повышения температуры крана и регулирования содержания углерода и кремния. Карбид кремния дешевле, чем комбинация ферросилиция и углерода, производит более чистую сталь и снижает выбросы из-за низкого уровня микроэлементов , имеет низкое содержание газа и не снижает температуру стали. [82]
Естественная устойчивость карбида кремния к окислению, а также открытие новых способов синтеза кубической формы β-SiC с большей площадью поверхности привели к значительному интересу к его использованию в качестве гетерогенного носителя катализатора . Эта форма уже использовалась в качестве носителя катализатора для окисления углеводородов , таких как н- бутан , до малеинового ангидрида . [83] [84]
Карбид кремния используется в карборундовой гравюре – технике коллажной гравюры . Карборундовая крошка в виде пасты наносится на поверхность алюминиевой пластины. Когда паста высыхает, чернила наносятся и задерживаются на ее зернистой поверхности, а затем вытираются с оголенных участков пластины. Затем красочная пластина печатается на бумаге в прессе с роликовой платформой, используемом для глубокой печати . В результате получается отпечаток нарисованных знаков, тисненых на бумаге.
Карборундовая крошка также используется в каменной литографии. Его однородный размер частиц позволяет использовать его для «зернистости» камня, удаляющей предыдущее изображение. Процесс аналогичен шлифованию: на камень наносится карборунд с более крупной зернистостью и обрабатывается левигатором, затем постепенно наносится все более и более мелкая зернистость, пока камень не станет чистым. Это создает поверхность, чувствительную к жиру. [85]
Карбид кремния может быть использован в производстве графена из-за его химических свойств, которые способствуют эпитаксиальному производству графена на поверхности наноструктур SiC.
При производстве кремний используется в первую очередь в качестве подложки для выращивания графена. Но на самом деле существует несколько методов, которые можно использовать для выращивания графена на карбиде кремния. Метод выращивания с контролируемой сублимацией (CCS) заключается в том, что чип SiC нагревается в вакууме с графитом. Затем вакуум сбрасывают очень постепенно, чтобы контролировать рост графена. Этот метод позволяет получить графеновые слои высочайшего качества. Но сообщалось, что другие методы также дают тот же продукт.
Другой способ выращивания графена — термическое разложение SiC при высокой температуре в вакууме. [86] Но оказывается, что этот метод позволяет получить слои графена, которые содержат более мелкие зерна внутри слоев. [87] Поэтому предпринимались попытки улучшить качество и выход графена. Одним из таких методов является выполнение ex situ графитизации SiC с концевыми кремниевыми группами в атмосфере, состоящей из аргона. Доказано, что этот метод позволяет получить слои графена с большими размерами доменов, чем слой, который можно было бы получить с помощью других методов. Этот новый метод может оказаться очень эффективным для производства графена более высокого качества для множества технологических применений.
Когда дело доходит до понимания того, как и когда использовать эти методы производства графена, большинство из них в основном производят или выращивают этот графен на SiC в среде, способствующей росту. Чаще всего его используют при довольно высоких температурах (например, 1300 °C) из-за термических свойств SiC. [88] Однако были выполнены и изучены определенные процедуры, которые потенциально могут привести к созданию методов, использующих более низкие температуры для производства графена. В частности, было замечено, что этот другой подход к выращиванию графена позволяет производить графен при температуре около 750 ° C. Этот метод предполагает сочетание определенных методов, таких как химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и сегрегация поверхности. Что касается подложки, процедура будет заключаться в покрытии подложки SiC тонкими пленками переходного металла. И после быстрой термообработки этого вещества атомы углерода станут более распространенными на поверхности раздела пленки переходного металла, что затем приведет к образованию графена. Было обнаружено, что этот процесс приводит к образованию слоев графена, которые являются более непрерывными по всей поверхности подложки. [89]
Карбид кремния может содержать точечные дефекты кристаллической решетки, известные как центры окраски . Эти дефекты могут производить одиночные фотоны по требованию и, таким образом, служить платформой для источника одиночных фотонов . [90] Такое устройство является фундаментальным ресурсом для многих новых приложений квантовой информатики. Если накачать центр окраски с помощью внешнего оптического источника или электрического тока, центр окраски перейдет в возбужденное состояние, а затем релаксирует с испусканием одного фотона. [91] [92]
Одним из хорошо известных точечных дефектов в карбиде кремния является дивакансия, имеющая аналогичную электронную структуру с азотно-вакансионным центром в алмазе. В 4H-SiC дивакансия имеет четыре различные конфигурации, соответствующие четырем бесфононным линиям (БФЛ). Эти значения ZPL записаны с использованием обозначений V Si -V C и единиц эВ: hh(1,095), kk(1,096), kh(1,119) и hk(1,150). [93]
Карбид кремния используется при производстве рыболовных колец из-за его прочности и износостойкости. [94] Кольца из карбида кремния устанавливаются в направляющую раму, обычно изготовленную из нержавеющей стали или титана, что предотвращает соприкосновение лески с заготовкой удилища. Кольца имеют поверхность с низким коэффициентом трения, что улучшает дальность заброса, обеспечивая при этом достаточную твердость, предотвращающую истирание плетеной лески. [95]
Карбид кремния используется в качестве сырья для некоторых глазурей , наносимых на керамику. При высоких температурах он может восстанавливать оксиды металлов, образуя кремнезем и диоксид углерода. Это можно использовать для вспенивания глазури и образования кратеров из-за выделяющегося углекислого газа или для уменьшения количества оксидов красителей и достижения таких цветов, как медно-красный , в противном случае это возможно только при восстановительном обжиге с использованием топлива в электрической печи. [96]
полный силовой модуль SiC в модели 3. ... STMicroelectronics ... инвертор Тесла ... 24 силовых модуля «1 в 1» ... модуль содержит два
SiC
MOSFET