Silicon carbide
Koostis / struktuur
Räni ja süsiniku ühend SiC, kristallstruktuur tahkkeskendatud kuubiline võre. Ränikarbiidi kristallidele on omane nn. polütüpismi nähtus: esineb palju (üle 200) erinevaid tihkpakendatud Si-C aatomite kaksikkihtide* järjestuse perioodilisi variante, taoliste perioodide pikkus võib olla sadu naaberkihtide vahekaugusi. Ühe tavaliseima polütüübi 6H-SiC korral on see periood 6.
*(Si ja C aatomid asetsevad nendes üksteise kohal ja moodustavad kumbki 2D heksagonaalse võre).
Aatomite tihkpakendite erinevad variandid – võime kujutada neid kui kihitsi laotud kuulikesi. Esimese kihi (asetus A) ja teise kihi (asetus B) suhtes on kolmanda kihi aatomite paiknemiseks kaks erinevat võimalust (A nagu esimeses kihis või C, mis erineb nii 1. kui 2. kihi paigutusest). A, B ja C erinevad perioodilised järjestused (ainsa piiranguga, et naabertähed ei ole kunagi samad – miks?) vastavad siis sama aine erinevatele polütoopidele. SiC korral võib joonisel kujutatud ringikestena ette kujutada kas Si või C aatomeid.
Omadused
Puhtad ränikarbiidi kristallid on läbipaistvad ja värvusetud, lisandite mõjul omandavad roheka kuni musta värvuse. Tihedus 3210 kg/m3. Väga kõva materjal (9,5 – 9,75 Mohs’i skaalal), jääb kõvaduselt alla vaid teemandile (10). Sulamistemperatuur 2830 °C. Laia keelutsooniga (3,03 … 3,26 eV) pooljuht. Ränikarbiid oli esimene materjal, milles avastati elektroluminestsents – luminestsentsvalguse kiirgumine ainet läbiva elektrivoolu toimel (Henry Joseph Round [31.01.09], 1907).
Saamine
Tehislik. Saadakse kvartsliiva ja süsiniku (koks) segu kuumutamisel elektrivooluga. Pooljuhttööstuse jaoks vajaliku kvaliteediga monokristalle kasvatatakse puhastatud lähteainest nn. Lely meetodil (J.A. Lely , 1955). Looduslikku ränikarbiidi (moissaniiti) on leitud vaid meteoriitidest (H. Moissan, 1905).
Rakendused
Abrasiivmaterjal, perspektiivne pooljuhtmaterjal (sh. kõrgtemperatuurse elektroonika tarbeks). Jäikuse ja kõvaduse tõttu on ränikarbiid sobiv materjal peegelteleskoopide peeglite valmistamiseks (väike kaal pinnaühiku kohta). Ränikarbiidist on valmistatud 3,5 m läbimõõduga Herscheli kosmosetelekoobi peegel [15.05.09], mis lennutati kosmosesse 14.05.2009.
Näidised
E23.1. Polükristalne ränikarbiid.
E23.2. Ränikarbiidkeraamika: Halsic-R toru (vasakul). Poorne keraamika ümberkristalliseeritud ränikarbiidist (³ 99% SiC).
E23.3. Ränikarbiidkeraamika: Halsic-I toru (keskel). Tihe keraamika ränikarbiidist ja sellesse infiltreeritud ja keemiliselt seotud ränist (85-88% SiC, 12-15% Si).
E23.4. Ränikarbiidkeraamika: Silicium Carbide toru (paremal). Ränikarbiidiga (65-70%) seotud silikaat.
Viited:
1. SiC of the MEMS Resource at CWRU [17.10.04]
2. The Materials Science SiC Homepage [17.10.04]
Tänu: W. HALDENWANGER – Technische Keramik GmbH & Co.KG
Koostas: Ailet Õis, JK
