«Кремния карбид»

карборунд, SiC, соединение кремния с углеродом; один из важнейших карбидов (См. Карбиды), применяемых в технике. В чистом виде К. к. — бесцветный кристалл с алмазным блеском; технический продукт зелёного или сине-чёрного цвета. К. к. существует в двух основных кристаллических модификациях — гексагональной (α-SiC) и кубической (β-SiC), причём гексагональная является «гигантской молекулой», построенной по принципу своеобразной структурно-направленной полимеризации простых молекул. Слои из атомов углерода и кремния в α-SiC размещены относительно друг друга по-разному, образуя много структурных типов. Переход β-SiC в α-SiC происходит при температуре 2100—2300°С (обратный переход обычно не наблюдается). К. к. тугоплавок (плавится с разложением при 2830°С), имеет исключительно высокую твёрдость (микротвёрдость 33400 Мн/м² или 3,34 тс/мм²), уступая только Алмазу и Бора карбидуB₄C; хрупок; плотность 3,2 г/см³. К. к. устойчив в различных химических средах, в том числе при высоких температурах.

К. к. получают в электропечах при 2000—2200°С из смеси кварцевого песка (51—55%), кокса (35—40%) с добавкой NaCI (I—5%) и древесных опилок (5—10%). Благодаря высокой твёрдости, химической устойчивости и износостойкости К. к. широко применяется как абразивный материал (при шлифовании), для резания твёрдых материалов, точки инструментов, а также для изготовления различных деталей химической и металлургической аппаратуры, работающей в сложных условиях высоких температур. К. к., легированный различными примесями, используется в технике полупроводников, особенно при повышенных температурах. Интересно использование К. к. в электротехнике — для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.

Г. В. Самсонов.

КРЕМНИЯ КАРБИД - то же, что карборунд.

(карборунд) SiС, бесцв., при наличии примесей-темно-серые, черные, зеленые кристаллы. Известен в двух модификациях - a и b. a-SiC имеет слоистую структуру с гексагон. (H) решеткой [пространств. группа Р6₃mc или P3ml, в ромбоэдрич. (R) установке R3m]; образует большое число политипов nН (или mR), где n-число слоев, повторяющихся по оси С в гексагон. ячейке политипа. Для гексагон. установки а=0,3079 нм для всех политипов, кроме 2Я, 4H, 6H, где асоотв. 0,3076, 0,3080, 0308065 нм; с~0,2520^.n.b-SiC имеет гранецентрир. кубич. решетку (а=0,435% нм, пространств. группа F43m); метастабилен, выше 2100°С превращ. в a-SiC; выше 1200°С и давлении выше 3 ГПа наблюдается переход a-b. Т. пл. 2830 °С (инконгруэнтно), при плавлении образуется графит и р-р углерода в кремнии; С ⁰_p 26,78 (a-SiC) и 26,86 (Р) Дж/(молъ ^. К); DH⁰ _обр - 71,9 (а) и - 73 (b) кДж/моль, DH⁰ _пл^.65 (a) кДж/молъ, DН ⁰ _возг 802 (a) кДж/молъ; S⁰₂₉₉16,49 (a) и 16,61 (В) Дж/(моль ^. К); теплопроводность монокристаллов a-SiC 490 Вт/(м ^. К) при 300 К и 110 Вт/(м ^. К) при 1000 K; температурный коэф. линейного расширения 5,94^.10^-6 К ^-1(a) при 250-2500°С и 3,8^.10^-6 К ^-1 (р) при 200°С, 5,5^.10^-6 К ^-1 (Р) при 1400-1800 °С; т-ра Дебая 1200 К (a) и 1430 К (Р); r при 300 К 10-10^-2 Ом ^. м (а) и 10-10⁵ Ом ^. м (b); термоэдс для a-SiC - 70 мкВ/К (293 К) и - 110 мкВ/К (1273 К). К. к. - полупроводник n-типа; ширина запрещенной зоны a-SiC для политипов 2H и 5H соотв. 3,3 эВ (2-8 К) и 2,86 эВ (300 К), для b-SiC 2,2 эВ (300 К); подвижность носителей тока пои 300 К для a-SiC (6H) 264см ²/(В ^. с) и b-SiC 1000 см ²/(В ^. с); эффективная масса носителей тока при 300 К для a-SiC (6H) 0,25 и b-SiC 0,41. Для a-SiC: модуль упругости 392 ГПа (20 °С) и 357 ГПа (1200°С); модуль сдвига 171 ГПа; модуль всестороннего сжатия 98 ГПа. Твердость по Кнупу при нагрузке 100 г a-SiC [грань (001)] 29,17 ГПа, b-SiC [грань (III)] 28,15 ГПа, поликристаллического 31-34 ГПа. К. к. не разлагается минер. к-тами (кроме конц. HF, HNO₃ и Н ₃ РО ₄) и р-рами щелочей, разлагается расплавами карбонатов, сульфатов, гидроксидов щелочных металлов, мн. оксидов. Реагирует с СО и Сl выше 1200°С, F₂ - выше 500 °С, парами воды - выше 1300°С, N₂ - выше 1400 °С. Окисляется О ₂ выше 1000 °С. К. к. получают взаимод. SiO₂ с углем при 1600-2800 °С (по способу Ачесона - с добавкой NaCl), из элементов выше 1150°С, пиролизом газообразных соед. Si, напр. CH₃SiCl₃; монокристаллы - кристаллизацией из металлич. расплавов. Компактные изделия из К. к. получают спеканием и горячим прессованием при высоких т-рах, Применяют К. к. как абразивный (для шлифовальных брусков, кругов), огнеупорный (футеровка печей, литейных машин), износостойкий (гидроциклоны, сопла для распыления абразивных пульп), электротехн. (нагреватели) материалы, для изготовления вариаторов, выпрямительных полупроводниковых диодов и фотодиодов. Лит.: Карбид кремния, под ред. Г. Хениша, Р. Роя, пер. с англ., М., 1972; Гнесин Г. Г., Карбидокрeмниевые материалы, М., 1977. П. С. Кислый.

кре́мния карби́д

то же, что карборунд.

* * *

КРЕ́МНИЯ КАРБИ́Д (карборунд), SiC. Чистый карбид кремния стехиометрического состава — бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: при температурах менее 2000^оС — в кубической типа сфалерита (b-SiC) (см. структурные типы кристаллов), и при более высоких температурах — в гексагональной (a-SiC). Для высокотемпературной гексагональной модификации карбида кремния характерно явление политипизма: обнаружено более 50 политипных модификаций a-SiC.

Свойства карбида кремния

Карбид кремния — единственное полупроводниковое бинарное соединение А^IVВ^IV. Тип связи — ковалентный(см. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ), доля ионной составляющей порядка 10%. Ширина запрещенной зоны(см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА) для кристаллов SiC составляет 2,39 эВ, для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,72 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600^оС. Собственная электропроводность из-за большой ширины запрещенной зоны наблюдается лишь при температурах выше 1400^оС. Подвижность носителей заряда низкая. Монокристаллы карбида кремния, легированные примесями элементов V группы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), а также литием и кислородом имеют n-тип проводимости и зеленую окраску. Элементы III группы (бор, алюминий, галлий, индий) и элементы II группы (бериллий, магний, кальций) являются акцепторами(см. АКЦЕПТОР). При этом кристаллы имеют p-тип проводимости и голубую или черную окраску. В случае отклонения состава от стехиометрического в сторону кремния кристаллы обладают электропроводностью n-типа, в случае избытка углерода — p-типа.

Карбид кремния тугоплавок (t_пл 2830°С), химически стоек, по твердости уступает лишь алмазу и нитриду бора: твердость по МООСу — 9,1 — 9,5; микротвердость 3300—3600 кгс/мм². Карбид кремния обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, выделяется своей устойчивостью к окислению среди многих окалиностойких сплавов и химических соединений. Заметно окисляется только при температурах выше 800^оС. Карбид кремния химически стоек и в других средах. Он не реагирует с минеральными кислотами любых концентраций, включая и плавиковую кислоту. При комнатной температуре химически взаимодействует с ортофосфорной и кислотой и смесью азотной и фтористоводородной кислот при температуре 200^оС. Водяной пар реагирует с карбидом кремния по реакции:

SiC + 2H₂O=SiO₂ + CH₄

только начиная с 1300—1400^оС.

Вплоть до 1100^оС с карбидом кремния совершенно не взаимодействует азот. Инертен он также в среде водорода и углекислого газа. В среде хлора теряет устойчивость при сравнительно низких температурах, разлагаясь по реакциям:

SiC + 2Cl₂ = SiCl₄ + C при 100^оС;

SiC + 4Cl₂ = SiCl₄ + CCl₄ при 1000^оС.

Карбид кремния активно разлагается с образованием соответствующих силикатов при сплавлении с едкими и углекислыми щелочами и перекисями.

Получение карбида кремния

Поликристаллический карбид кремния получают в электрических печах при температуре 1800—2300^оС путем восстановления двуокиси кремния углеродом:

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO

В качестве сырья при производстве технического карбида кремния используется кварцевый песок с минимальным содержанием примесей и малозольный кокс или антрацит, или нефтяной кокс. Для повышения газопроницаемости шихты в нее иногда вводят древесные опилки. В шихту также вводят поваренную соль, количество которой влияет на цвет карборунда.

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^оС. 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.

Применение карбида кремния

Монокристаллический SiC используют для изготовления радиационностойких светодиодов, обладающих очень высокой надежностью и стабильностью работы. Его можно использовать для изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков частиц высокой энергии, терморезисторов,

Из поликристаллического SiC выращивают монокристаллы или путем дробления получают порошки. Поликристаллический SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисторов(см. ВАРИСТОР)). Для этих целей изготавливают многофазовые материалы на основе порошкообразного SiC, скрепленного связующим веществом. Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят высокотемпературные нагреватели, ингитронные поджигатели и волноводные поглотители, а на основе пленок аморфного SiC — светодиоды и солнечные элементы. SiC является перспективным полупроводниковым материалом для высокотемпературной и высокочастотной электроники.

Благодаря высокой химической стабильности, огнеупорности и износостойкости карбид кремния находит широкое применение в качестве огнеупора в металлургической промышленности. Применяется в машиностроении для футеровки термических печей; в химическом аппаратостроении, где он подвержен абразивному воздействию твердых пылевидных продуктов в газовых потоках. Используется для изготовления коррозионно- и эрозионностойких сопельных вставок, насадок и распылителей; для изготовления деталей теплообменной аппаратуры и деталей насосов для перекачки кислых растворов и других коррозионноактивных жидкостей. Огнеупорные изделия, а также изделия конструкционного назначения на основе карбида кремния изготовляются с использованием различного вида связок — керамических, кремния, нитрида кремния. Интересно использование карбида кремния в электротехнике — для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.

Благодаря высокой твердости, химической устойчивости и износостойкости карбид кремния широко применяется как абразивный материал(см. АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ) (при шлифовании(см. ШЛИФОВАНИЕ)), для резания твердых материалов, точки инструментов.

карборунд, SiC - соединение кремния с углеродом; в чистом виде бесцветный кристалл с алмазным блеском, технич. продукт - зелёного или чёрного цвета. К. к. тугоплавок (плавится с разложением при 2830 °С), по твёрдости уступает только алмазу и карбиду бора B₄C, устойчив в различных хим. средах, в т. ч. при высоких темп-pax. Применяется как абразив (при шлифовании), для резания твёрдых материалов, в электротехнике, для изготовления хим. аппаратуры и металлургич. оборудования.

то же, что карборунд.