碳化矽

維基百科,自由的百科全書
前往: 導覽搜尋
β-碳化矽
別名 金剛砂
莫桑石
識別
CAS號 409-21-2
PubChem 9863
ChemSpider 9479
SMILES
InChIKey HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYAF
Gmelin 13642
EINECS 206-991-8
ChEBI 29390
RTECS VW0450000
MeSH Silicon+carbide
性質
化學式 SiC
摩爾質量 40.097 g·mol⁻¹
外觀 墨綠色無味粉末
密度 3.22 g/cm3[1]
熔點 2730 °C
溶解性 不可溶
電子遷移率 ~900 cm2/V·s (所有的晶形)
折光度n
D
2.55 (紅外,所有的晶形)
危險性
歐盟分類 未列明
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
1
0
 
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

碳化矽(SiC)俗稱金剛砂,為相鍵結而成的陶瓷化合物,碳化矽在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化矽粉末被大量用作磨料。將碳化矽粉末燒結可得到堅硬的陶瓷狀碳化矽顆粒,並可將之用於諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中,在諸如發光二極體、早期的無線電探測器之類的電子器件製造中也有使用。如今碳化矽被廣泛用於製造高溫、高壓半導體。通過Lely法能生長出大塊的碳化矽單晶。人造莫桑石的寶石就是通過切割由Lely法製備的大塊碳化矽單晶來獲得的。

發現和早期的合成方法[編輯]

雖然早期有一些不系統的、不受認可或是未經證實的的碳化矽合成方法的報導,比如在1810年貝采里烏斯報導的用金屬鉀還原氟矽酸鉀的合成方法、1849年Charles Mansuète Despretz報導的將通電的碳棒埋在沙粒中的合成方法、1881年Robert Sydney Marsden報導的在石墨坩堝中用熔融的銀溶解矽石的合成方法、1882年Albert Colson在乙烯氣氛中加熱單質矽的合成方法以及1881年Paul Schützenberger報導的在石墨坩堝中加熱矽單質和矽石混合物的合成方法,[2]但真正實現碳化矽的大量製備還是在1890年由愛德華古德里奇艾奇遜率先實現的。艾奇遜嘗試在鐵鍋中加熱粘土(矽酸鋁)和焦炭粉的混合物合成人造鑽石的過程中發現了這個合成碳化矽的方法,他將得到的藍色金剛砂晶體誤認為是一種由碳和鋁構成的類似剛玉的物質。1893年亨利·莫瓦桑在研究來自亞利桑那州的代亞布羅峽谷隕石樣品時發現了罕有的在自然條件下存在的碳化矽礦石,將之命名為莫桑石。莫瓦桑也通過幾種方法合成了碳化矽:包括用熔融的單質矽熔解單質碳、將碳化矽和矽石的混合物熔化和在電爐中用單質碳還原矽石的方法。但莫瓦桑在1903年時還是將碳化矽的發現歸功於艾奇遜。[3]

艾奇遜在1893年2月28日為合成碳化矽粉末的方法申請了專利保護。[4]

碳化矽最早的用途是磨料,隨後被用於電子器件中。在二十世紀初,第一批雷達中就是將碳化矽用為探測器的,1907年馬可尼公司的僱員兼馬可尼的助手Henry Joseph Round通過在碳化矽晶體上施加一定的電壓後在陰極上觀察到有黃色、綠色和橙色光放出,由此得到了世界上第一個發光二極體。[5]這些實驗結果後來在1923年被蘇聯科學家奧列格·洛謝夫重複證實。[6][7]

自然界中的分布[編輯]

自然界中的莫桑石僅微量分布於某幾種隕石、剛玉礦床和金伯利岩中。幾乎世界上所有的碳化矽固體包括莫桑石製成的珠寶都來自於人工合成。1893年費迪南德·亨利·莫桑在一小部分的代亞布羅峽谷隕石中發現了天然的莫桑石。[8]莫桑的發現起初是有一定爭議的,因為他手中的樣品可能在切割時受到了由人造碳化矽製成的圓鋸片的污染。[9]雖然地球上的碳化矽非常稀有但在宇宙空間中卻相當常見。宇宙中的碳化矽通常是碳星周圍的宇宙塵埃中的常見成分。在宇宙和隕石中發現的碳化矽幾乎無一例外都是β相晶形的。對在默奇森隕石這類碳質球粒隕石中發現的碳化矽顆粒進行分析後發現碳和矽元素的同位素比例均有異常,這表明隕石來自太陽系外,這些碳化矽顆粒中的99%來源於富碳的漸近巨星分支中的恆星。[10]通過紅外光譜推測碳化矽在這類恆星上很常見。[11]

製造[編輯]

由於自然界中的莫桑石非常罕有,所以碳化矽多為人造。它被用於磨料、半導體材料和具有鑽石特點的仿製品。常見的方法是利用艾奇遜法將細的二氧化矽顆粒與焦炭混合,置入石墨為電極的電爐中,加熱到1600至2500°C之間的高溫製得。另一種方法是將純淨的二氧化矽顆粒在植物性材料(比如穀殼)中加熱合成碳化矽,通過熱分解有機質材料生成的碳還原二氧化矽產生矽單質,隨後多餘的碳與單質矽反應產生碳化矽。[12]。還能利用生產金屬矽化物和矽鐵合金的副產物矽灰與石墨混合在1500°C的條件下加熱合成碳化矽。[13]

用艾奇遜法在電爐中合成的碳化矽因距離石墨電阻加熱源遠近的不同在純度上有一定的差別。最靠近電阻加熱源的地方產生的無色、淡黃色或綠色的碳化矽晶體純度最高。隨著離電阻加熱源的距離越來越遠生成的碳化矽顏色變為藍色和黑色,這些深色晶體的純度相對降低。氮和鋁是碳化矽中常見的雜質,它們會影響碳化矽的電導率。[14]

純的碳化矽是用Lely法製造的。[15] 通過將碳化矽粉末在2500°C的氬氣氛下升華後再沉積形成鱗片狀的單晶,在較冷的基底上可形成尺寸大到2×2cm2的單晶。Lely法能生長出高質量的碳化矽單晶。因為單晶的生長溫度高,所以得到的單晶大多數是6H-SiC相的。在石墨坩堝中進行感應加熱則是另一種改進後的艾奇遜法,它可以製造的碳化矽單晶尺寸是傳統方法的81倍。[16]立方體狀的碳化矽一般是藉助成本較為昂貴的化學氣相沉積法來合成的。[14][17]通過氣相和液相合成的方法可以製造同質外延和異質的碳化矽薄層。[18]純的碳化矽也能利用某些聚合物比如聚甲基矽烷在低溫的惰性氣氛中熱分解來合成。相較於化學氣相沉積法,熱分解法的優勢在於聚合物能在熱裂解形成陶瓷狀碳化矽之前塑造成各種不同的形狀。[18][19][20][21]

結構和性能[編輯]

三種主要的碳化矽多形體
SiC3Cstructure.jpg
SiC4Hstructure.jpg
SiC6Hstructure.jpg
(β)3C-SiC 4H-SiC (α)6H-SiC

碳化矽存在著約250種結晶形態。[22]由於碳化矽擁有一系列相似晶體結構的同質多型體使得碳化矽具有同質多晶的特點。這些多形體的晶體結構可被視為將特定幾種二維結構以不同順序層狀堆積後得到的,因此這些多形體具有相同的化學組成和相同的二維結構,但它們的三維結構不同。[23]

α-碳化矽(α-SiC)是這些多型體中最為常見的,它是在大於1700°C的溫度下形成的,具有類似纖鋅礦的六方晶體結構。具有類似鑽石閃鋅礦晶體結構的β-碳化矽(β-SiC)則是在低於1700°C的條件下形成的。[24]β-碳化矽因其相較α-碳化矽擁有更高的比表面積,所以可用於非均相催化劑的負載體。

純的碳化矽是無色的,工業用碳化矽由於含有鐵等雜質而呈現棕色至黑色晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產生的二氧化矽鈍化層所致。

碳化矽高達2700°C的升華溫度使得它適合作為製造軸承和高溫熔爐的部件。它本身也具有較高的化學惰性。由於其相較於晶體矽具有更高的熱電導率、電場擊穿強度和最大電流密度,所以在高功率的半導體材料方面具有更好的應用前景。[25]此外碳化矽的熱膨脹係數也非常低(4.0×10-6/K)同時也不會發生可能引起的不連續性熱膨脹的相變。

電導率[編輯]

在碳化矽中摻雜氮或磷可以形成n型半導體而摻雜形成p型半導體。在碳化矽中大量摻雜硼、鋁或氮可以使摻雜後的碳化矽具備數量級可與金屬比擬的導電率。摻雜Al的3C-SiC、摻雜B的3C-SiC和6H-SiC的碳化矽都能在1.5K的溫度下擁有超導性,[24][26]但摻雜Al和B的碳化矽兩者的磁場行為有明顯區別。摻雜鋁的碳化矽和摻雜B的晶體矽一樣都是II型半導體,但摻雜硼的碳化矽則是I型半導體[27]

用途[編輯]

磨料和切割工具[編輯]

由於金剛砂的耐用性和低成本,在現代寶石加工中作為常用磨料使用。金剛砂憑藉其硬度使它在製造業中諸如砂輪切割、搪磨、水刀切割和噴砂等磨削加工過程。將碳化矽粒子層壓在紙上就能製成砂紙和滑板的握帶。

1982年由氧化鋁和碳化矽須晶構成的超強複合材料問世,經過隨後三年的發展這種複合材料走出實驗室成為商品。1985年先進複合材料公司和Greenleaf公司推出了新的商品化切割工具,工具就是由氧化鋁和碳化矽須晶組成的加強型複合材料所製造的。

結構材料[編輯]

在二十世紀80至90年代,幾個歐洲、日本和美國的高溫燃氣渦輪機研究項目對碳化矽做了研究,項目的目標均打算以碳化矽代替鎳高溫合金製造渦輪機葉片或噴嘴葉片。但這些項目無一實現量產,主要原因在於碳化矽材料的耐衝擊性和斷裂韌度低。

不同於其他陶瓷材料比如氧化鋁和碳化硼,碳化矽可用於製造複合裝甲(比如喬巴姆裝甲)和防彈背心中的陶瓷板。

天文學[編輯]

碳化矽具備的低熱膨脹係數、高的硬度、剛性和熱導率使其能夠作為天文望遠鏡的鏡面材料。通過化學氣相沉積製造的直徑達3.5米和2.7米的多晶碳化矽圓盤已被分別安裝在赫歇爾空間天文台同溫層紅外線天文台等幾個大型天文望遠鏡上。[28][29]

催化劑載體[編輯]

碳化矽本身的抗氧化性質和立方β-SiC所具有的大比表面積使其可作為非均相催化劑的載體。通過稻殼炭化合成的β-SiC已被用於作為非均相催化劑的載體應用於催化諸如正丁烷氧化生成順丁烯二酸酐這類烴類的氧化反應。[30][31]

參考[編輯]

  1. ^ Patnaik, P. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill. 2002. ISBN 0-07-049439-8. 
  2. ^ Weimer, A. W. Carbide, nitride, and boride materials synthesis and processing. Springer. 1997. 115. ISBN 0-412-54060-6. 
  3. ^ Encyclopædia Britannica, eb.com
  4. ^ Acheson, G. (1893) 美國專利 492,767 "Production of artificial crystalline carbonaceous material"
  5. ^ Nikolay Zheludev. The life and times of the LED — a 100-year history. Nature Photonics. 2007, 1 (4): 189–192. Bibcode:2007NaPho...1..189Z. doi:10.1038/nphoton.2007.34. 
  6. ^ O.V. Lossev. "Wireless Telegraphy and Telephony". Telegrafia i Telefonia bez provodor. 1923, (18): 61. 
  7. ^ O.V. Lossev. Luminous Carborundum Detector and Detection Effect and Oscillations with Crystals. Philosophical Magazine. 1928, 6 (39): 1024–1044. 
  8. ^ Moissan, Henri. Nouvelles recherches sur la météorité de Cañon Diablo. Comptes rendus. 1904, 139: 773–786. 
  9. ^ Di Pierro S., Gnos E., Grobety B.H., Armbruster T., Bernasconi S.M., and Ulmer P. Rock-forming moissanite (natural α-silicon carbide). American Mineralogist. 2003, 88: 1817–21. 
  10. ^ C. M. O'D. Alexander, P. Swan & R. M. Walker. In situ measurement of interstellar silicon carbide in two CM chondrite meteorites. Nature. 1990, 348 (6303): 715–717. Bibcode:1990Natur.348..715A. doi:10.1038/348715a0. 
  11. ^ The Astrophysical Nature of Silicon Carbide [2009-06-06] 
  12. ^ A. S. Vlasov, A. I. Zakharov, O. A. Sarkisyan, N. A. Lukasheva. Obtaining silicon carbide from rice husks. Refractories. 1991, 32 (9-10): 521–523. doi:10.1007/BF01287542. 
  13. ^ Yang Zhong, Leon L. Shaw, Misael Manjarres, Mahmoud F. Zawrah. Synthesis of Silicon Carbide Nanopowder Using Silica Fume. Journal of American Ceramic Society. 2010, 93: 3159. doi:10.1111/j.1551-2916.2010.03867.x. 
  14. ^ 14.0 14.1 Harris, Gary Lynn. Properties of silicon carbide. IET. 1995. 19; 170–180. ISBN 0-85296-870-1. 
  15. ^ Lely, Jan Anthony. Darstellung von Einkristallen von Silicium Carbid und Beherrschung von Art und Menge der eingebauten Verunreinigungen. Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft. 1955, 32: 229–236. 
  16. ^ N.Ohtani, T.Fujimoto, T.Aigo, M.Katsuno, H.Tsuge, H.Yashiro. Nippon Steel Technical Report no. 84 : Large high-quality silicon carbide substrates. 2001. 
  17. ^ Byrappa, K.; Ohachi, T. Crystal growth technology. Springer. 2003: 180–200. ISBN 3-540-00367-3. 
  18. ^ 18.0 18.1 Bakin, Andrey S. SiC materials and devices, vol. 1, edited by M. Shur, S. Rumyantsev, M. Levinshtein - Chap.:"SiC Homoepitaxy and Heteroepitaxy". World Scientific. 2006: 43–76. ISBN 981-256-835-2. 
  19. ^ Pitcher, M. W.; Joray, S. J.; Bianconi, P. A. Smooth Continuous Films of Stoichiometric Silicon Carbide from Poly(methylsilyne). Advanced Materials. 2004, 16 (8): 706. doi:10.1002/adma.200306467. 
  20. ^ Bunsell, A. R.; Piant, A. A review of the development of three generations of small diameter silicon carbide fibres. Journal of Materials Science. 2006, 41 (3): 823. Bibcode:2006JMatS..41..823B. doi:10.1007/s10853-006-6566-z. 
  21. ^ Laine, Richard M.; Babonneau, Florence. Preceramic polymer routes to silicon carbide. Chemistry of Materials. 1993, 5 (3): 260. doi:10.1021/cm00027a007. 
  22. ^ Cheung, Rebecca. Silicon carbide microelectromechanical systems for harsh environments. Imperial College Press. 2006. 3. ISBN 1-86094-624-0. 
  23. ^ Morkç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M. Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies. Journal of Applied Physics. 1994, 76 (3): 1363. Bibcode:1994JAP....76.1363M. doi:10.1063/1.358463. 
  24. ^ 24.0 24.1 Muranaka, T. et al. Superconductivity in carrier-doped silicon carbide (free download). Sci. Technol. Adv. Mater. 2008, 9 (4): 044204. Bibcode:2008STAdM...9d4204M. doi:10.1088/1468-6996/9/4/044204. 
  25. ^ Bhatnagar, M.; Baliga, B.J. Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices. IEEE Transactions on Electron Devices. 1993.March, 40 (3): 645–655. Bibcode:1993ITED...40..645B. doi:10.1109/16.199372. 
  26. ^ Kriener, M. et al. Superconductivity in heavily boron-doped silicon carbide (free download). Sci. Technol. Adv. Mater. 2008, 9 (4): 044205. arXiv:0810.0056. Bibcode:2008STAdM...9d4205K. doi:10.1088/1468-6996/9/4/044205. 
  27. ^ Yanase, Y. and Yorozu, N. Superconductivity in compensated and uncompensated semiconductors (free download). Sci. Technol. Adv. Mater. 2008, 9 (4): 044201. Bibcode:2008STAdM...9d4201Y. doi:10.1088/1468-6996/9/4/044201. 
  28. ^ The largest telescope mirror ever put into space. European Space Agency. [2009-06-06]. 
  29. ^ Petrovsky; G. Tolstoy et al. 2.7-meter-diameter silicon carbide primary mirror for the SOFIA telescope. Proc. SPIE. 06/1994, 2199: 263-270. Bibcode:1994SPIE.2199..263P. doi:10.1117/12.176195. 
  30. ^ Rase, Howard F. Handbook of commercial catalysts: heterogeneous catalysts. CRC Press. 2000. 258. ISBN 0-8493-9417-1. 
  31. ^ Singh, S. K.; Parida, K. M.; Mohanty, B. C.; Rao, S. B. High surface area silicon carbide from rice husk: A support material for catalysts. Reaction Kinetics and Catalysis Letters. 1995, 54 (1): 29. doi:10.1007/BF02071177.