炭化ケイ素

非体系的で、あまり知られておらず、検証されていないことが多い炭化ケイ素の合成法には、以下のようなものがある。

• セザール＝マンシュエト・デプレッツによる、砂に埋め込まれた炭素棒に電流を流す実験（1849年）
• ロバート・シドニー・マースデンによる、グラファイトるつぼ内での溶融銀によるシリカの溶解実験（1881年）
• ポール・シューツェンベルガーによる、グラファイトるつぼ内でのケイ素とシリカの混合物の加熱（1881年）
• アルバート・コルソンによるエチレン気流下でのシリコンの加熱（1882年）。^{[ 10 ]}

大規模生産は、1891 年にエドワード・グッドリッチ・アチソンによって行われたとされている。 ^{[ 11 ]}アチソンは、鉄製のボウルで粘土（ケイ酸アルミニウム）と粉末コークス（炭素）の混合物を加熱して人工ダイヤモンドを作ろうとしていた。彼は、形成された青い結晶をカーボランダムと名付け、それがコランダムに似た炭素とアルミニウムの新しい化合物であると信じていた。アンリ・モアッサンも、溶融シリコンへの炭素の溶解、炭化カルシウムとシリカの混合物の溶融、電気炉での炭素によるシリカの還元など、いくつかの方法で SiC を合成した。

アチソンは1893年2月28日に炭化ケイ素粉末の製造方法の特許を取得した。^{[ 12 ]}アチソンはまた、現在でもSiCが製造されている電気バッチ炉を開発し、当初は研磨剤として使用するためにバルクSiCを製造するカーボランダム社を設立した。^{[ 13 ]} 1900年、同社はエレクトリック・スメルティング・アンド・アルミニウム社と和解し、裁判官の判決により、創業者に「白熱法による鉱石およびその他の物質の還元」に関して「広範な優先権」が与えられた。^{[ 14 ]}

SiCの最初の用途は研磨剤としてでした。その後、電子機器への応用が始まりました。20世紀初頭には、炭化ケイ素は最初のラジオの検出器として使用されました。^{[ 15 ]} 1907年、ヘンリー・ジョセフ・ラウンドは、SiC結晶に電圧を印加し、陰極で黄色、緑色、オレンジ色の発光を観測することで、最初のLEDを製造しました。この効果は後に、1923年にソビエト連邦のOVロセフによって再発見されました。 ^{[ 16 ]}

炭化ケイ素は半導体であり、窒素またはリンでn型に、ベリリウム、ホウ素、アルミニウム、またはガリウムでp型にドーピングすることができる。^{[ 5 ]}ホウ素、アルミニウム、または窒素を大量にドーピングすることで金属伝導性を実現している。

3C-SiC:Al、3C-SiC:B、6H-SiC:B では、同様の温度 ~1.5 K で超伝導が検出されている。 ^{[ 36 ] [ 42 ]}ただし、アルミニウムとホウ素のドーピングでは磁場挙動に重要な違いが見られる。3C-SiC:Al はタイプ IIである。対照的に、3C-SiC:B はタイプ Iであり、6H-SiC:B も同様である。したがって、超伝導特性は、ポリタイプ (3C- 対 6H-) よりもドーパント (B 対 Al) に大きく依存しているように見える。この依存性を説明するために、B は SiC の C サイトを置換するが、Al は Si サイトを置換することが指摘された。したがって、Al と B は、両方のポリタイプで異なる環境を「見る」ことになる。^{[ 43 ]}

製造業では、研削、ホーニング、ウォータージェット切断、サンドブラストなどの研磨加工プロセスにおいて、その硬度を利用して使用されます。SiCは、酸化アルミニウムと比較して、サンドブラストにおいてより鋭利で硬い代替品となります。炭化ケイ素の粒子は紙に積層され、サンドペーパーやスケートボードのグリップテープが作られます。^{[ 44 ]}

美術分野において、炭化ケイ素は耐久性と低コストという利点から、現代​​の宝石加工において人気の高い研磨材である。

1982年、酸化アルミニウムと炭化ケイ素ウィスカーからなる非常に強力な複合材料が発見された。この実験室で製造された複合材料を商業製品に開発するのに要した年数はわずか3年だった。1985年には、このアルミナと炭化ケイ素ウィスカーで強化された複合材料から作られた最初の商業用切削工具が市場に導入された。^{[ 45 ]}

1980年代と1990年代には、炭化ケイ素はヨーロッパ、日本、米国で高温ガスタービン向けのいくつかの研究プログラムで研究されました。これらの部品は、ニッケル超合金のタービンブレードまたはノズルベーンを置き換えることを目的としていました。 ^{[ 46 ]}しかし、これらのプロジェクトはいずれも、主に耐衝撃性と破壊靭性が低いため、量産には至りませんでした。^{[ 47 ]}

他の硬質セラミックス（アルミナや炭化ホウ素など）と同様に、炭化ケイ素は複合装甲（チョバム装甲など）や防弾チョッキのセラミックプレートに使用されています。ピナクルアーマー社が製造したドラゴンスキンは、炭化ケイ素のディスクを使用していました。^{[ 48 ]} SiC装甲の破壊靭性の向上は、異常粒成長（AGG）現象によって促進される可能性があります。異常に長い炭化ケイ素粒の成長は_、ウィスカー補強と同様に、クラックウェイクブリッジングによって強化効果をもたらす可能性があります。同様のAGG強化効果は、窒化ケイ素（Si3N4 _）でも報告されています。^{[ 49 ]}

炭化ケイ素は、セラミック焼成、ガラス溶融、ガラス鋳造などの高温窯の支持材および棚材として使用されます。SiC窯の棚は、従来のアルミナ棚よりもかなり軽量で耐久性があります。^{[ 50 ]}

2015年12月、溶融マグネシウムに炭化ケイ素ナノ粒子を注入する方法が、航空、宇宙、自動車、マイクロエレクトロニクスでの使用に適した新しい強靭で可塑性のある合金を製造する方法として言及された。^{[ 51 ]}

シリコン浸透カーボン-カーボン複合材は、極端な温度に耐えることができるため、高性能「セラミック」ブレーキディスクに使用されます。シリコンはカーボン-カーボン複合材中のグラファイトと反応して、炭素繊維強化シリコンカーバイド（C/SiC）になります。これらのブレーキディスクは、ポルシェカレラ GT、ブガッティ ヴェイロン、シボレー コルベット ZR1、マクラーレン P1 [ ^{52 ]} 、ベントレー、フェラーリ、ランボルギーニ、および特定の高性能アウディ車を含む、一部のロードゴーイング スポーツカー、スーパーカー、およびその他のパフォーマンスカーに使用されています。シリコンカーバイドは、焼結形態でディーゼル微粒子フィルターにも使用されます。^{[ 53 ]また、} 摩擦、排出ガス、およびハーモニックを低減するためのオイル添加剤としても使用されます。 ^{[ 54 ] [ 55 ]}

SiCの初期の電気的応用は、電力システムの避雷器におけるサージ保護としてでした。これらのデバイスは、両端の電圧が一定の閾値_VTに達するまで高い抵抗を示し、その時点で抵抗はより低いレベルに低下し、印加電圧がVTを下回るまでこのレベルを維持し、_電流を地面に流します。^{[ 58 ]}

SiCは電圧依存性の抵抗を持つことが早くから認識されていたため、SiCペレットの柱が高圧送電線と大地の間に接続されていました。送電線に落雷があり、線間電圧が十分に上昇すると、SiC柱が導通し、落雷電流が送電線を伝わる代わりに大地に無害に流れるようになります。SiC柱は通常の送電線動作電圧でかなり導通することが判明したため、スパークギャップと直列に配置する必要がありました。このスパークギャップは、落雷によって送電線導体の電圧が上昇するとイオン化されて導通状態になり、結果としてSiC柱が送電線導体と大地の間に接続されます。避雷器で使用されるスパークギャップは信頼性が低く、必要なときにアークを発生させなかったり、その後オフにならなかったりします。後者の場合は、材料の劣化や塵や塩による汚染が原因です。SiC柱の使用は、もともと避雷器のスパークギャップを不要にすることを目的としていました。ギャップ付きSiC避雷器は雷保護に使用され、GEやウェスティングハウスなどのブランド名で販売されていました。ギャップ付きSiC避雷器は、酸化亜鉛ペレットの列を使用するギャップなしバリスタにほぼ置き換えられました。^{[ 59 ]}

炭化ケイ素は、商業的に重要な最初の半導体材料であった。 1906年、ヘンリー・ハリソン・チェイス・ダンウッディは、結晶ラジオ用の「カーボランダム」（合成炭化ケイ素）検出器ダイオードの特許を取得した。これは初期には船舶用受信機に広く用いられた。

パワーエレクトロニクスデバイス

1993年、炭化ケイ素は研究と初期の量産の両方において半導体とみなされ、高速、高温、高電圧デバイスに利点をもたらしました。最初に利用可能になったデバイスはショットキーダイオードで、続いて高出力スイッチング用の接合ゲートFETとMOSFETが登場しました。バイポーラトランジスタとサイリスタも説明されました。^{[ 41 ]}

SiCの商業化における大きな問題は、エッジ転位、らせん転位（中空および閉芯の両方）、三角形欠陥、基底面転位などの欠陥の除去である。^{[ 60 ]}その結果、SiC結晶で作られたデバイスは当初、逆方向阻止性能が劣っていたが、研究者たちは破壊性能を改善するための解決策を暫定的に見つけてきた。^{[ 61 ]}結晶品質とは別に、SiCと二酸化ケイ素の界面の問題が、SiCベースのパワーMOSFETと絶縁ゲートバイポーラトランジスタ の開発を妨げてきた。メカニズムはまだ不明だが、窒化処理によって界面問題を引き起こす欠陥が劇的に減少した。^{[ 62 ]}

2008年には、定格1,200Vの最初の商用JFETが 市場に導入され^{[ 63 ]} 、 2011年には定格1,200Vの最初の商用MOSFETがそれに続いた。 現在、JFETは定格650Vから1,700Vまで、抵抗値は25mΩまで低くなっている。一般的なTO-247およびTO-220パッケージのSiCスイッチおよびSiCショットキーダイオード（ショットキーバリアダイオード、 SBDとも呼ばれる）に加えて、企業はさらに早くからベアチップをパワーエレクトロニクスモジュールに実装し始めた。

SiC SBDダイオードは、 PFC回路やIGBTパワーモジュールで広く使用されており、市場で広く普及している。^{[ 64 ]}国際統合パワーエレクトロニクスシステム会議（CIPS） などの会議では、SiCパワーデバイスの技術的進歩について定期的に報告されている。SiCパワーデバイスの能力を最大限に引き出すための主な課題は以下のとおりである。

• ゲート駆動: SiC デバイスは、シリコン製のデバイスとは異なるゲート駆動電圧レベルを必要とすることが多く、例えば +20  V と −5  Vのように非対称になる場合もあります。 ^{[ 65 ]}
• パッケージング：SiCチップは シリコンパワーデバイスよりも高い電力密度を持ち、シリコンの限界である150 ℃を超える高温にも耐えることができます。デバイスから効率的に熱を放出し、信頼性の高い相互接続を確保するには、焼結などの新しいダイアタッチ技術が必要です。^{[ 66 ]}

テスラ モデル 3以降、ドライブ ユニットのインバーターには、それぞれ 650 ボルト定格のシリコン カーバイド (SiC) MOSFET チップ 24 ペアが使用されています。この場合、シリコン カーバイドは、サイズと重量の点でシリコン製のチップよりもテスラに大きな利点をもたらしました。多くの自動車メーカーが、製品のパワー エレクトロニクス デバイスにシリコン カーバイドを組み込むことを計画しています。ニューヨーク州北部でWolfspeedが 2022 年に開設した大規模工場を皮切りに、シリコン カーバイドの生産が大幅に増加すると予測されています。 ^{[ 67 ] [ 68 ]}

熱膨張係数が低く、硬度、剛性、熱伝導率が高いことから、炭化ケイ素は天体望遠鏡の鏡材として望ましい材料となっています^{。成長技術}（化学気相成長法）は、直径3.5メートル（11フィート）までの多結晶炭化ケイ素の円盤を製造するためにスケールアップされており、ハーシェル宇宙望遠鏡などのいくつかの望遠鏡にはすでにSiC光学系が搭載されています。^{[ 72 ] [ 73 ]}また、ガイア宇宙観測衛星のサブシステムは、熱による膨張や収縮のない安定した構造を提供する剛性の炭化ケイ素フレームに取り付けられています。  

炭化ケイ素繊維は、薄型フィラメント高温測定法と呼ばれる光学的手法でガス温度を測定するために使用されます。この手法では、高温ガス流中に細いフィラメントを配置します。フィラメントからの放射は、フィラメントの温度と相関関係があります。フィラメントは 、直径15マイクロメートル（人間の髪の毛の約5分の1）のSiC繊維です。繊維が非常に細いため、炎をほとんど乱さず、その温度は周囲のガスの温度に近いままです。約800～2,500  Kの温度を測定できます。^{[ 74 ] [ 75 ]}

炭化ケイ素発熱体に関する記述は、20世紀初頭に米国エイチソンズ・カーボランダム社とベルリンのEKL社によって製造された時から存在する。炭化ケイ素は、金属ヒーターに比べて動作温度が高かった。炭化ケイ素発熱体は現在、ガラスや非鉄金属の溶解、金属の熱処理、フロートガラスの製造、セラミックや電子部品の製造、ガスヒーターのパイロットランプの点火装置などに使用されている。 ^{[ 76 ]}

NASAのLOFTID膨張式耐熱シールドの外側の熱保護層には、炭化ケイ素から作られた織りセラミックが組み込まれており、その繊維は非常に細いため、束ねて糸に紡ぐことができる。^{[ 77 ]}

SiCは優れた中性子吸収能力を持つため、原子炉の燃料被覆材や核廃棄物封じ込め材として使用されています。^{[ 78 ]}また、原子力施設の放射線レベル監視、環境モニタリング、医療画像処理のための放射線検出器の製造にも使用されています。^{[ 79 ]}さらに、将来の火星原子力発電や、出現しつつある地上の小型原子力発電所向けに、原子炉用途向けのSiCセンサーや電子機器が開発されています。^{[ 80 ]}

宝飾品に使用される宝石として、炭化ケイ素は鉱物名にちなんで「合成モアッサナイト」または単に「モアッサナイト」と呼ばれます。モアッサナイトは、いくつかの重要な点でダイヤモンドと似ています。透明で硬く（モース硬度9～9.5 、ダイヤモンドは10）、屈折率は2.65～2.69（ダイヤモンドは2.42）です。モアッサナイトは、一般的なキュービックジルコニアよりもやや硬いです。ダイヤモンドとは異なり、モアッサナイトは強い複屈折性を示すことがあります。このため、モアッサナイトの宝石は、複屈折効果を最小限に抑えるために、結晶の光軸に沿ってカットされます。モアッサナイトはダイヤモンドよりも軽く（密度3.21 g/ ^cm³対 3.53 g/cm³ ^{） 、耐熱性もはるかに優れています。このため、モアッサナイトは、より高い}光沢、よりシャープなファセット、優れた弾力性を持つ石となります。ルースモアッサナイトの石は、ダイヤモンドと同様に、ロストワックス鋳造用のワックスリング型に直接入れることができます^{[ 85 ]} 。モアッサナイトは1,800 ℃（3,270 °F）までの温度でも損傷を受けません。モアッサナイトはダイヤモンドの代替品として人気があり、その熱伝導率が他のどの代替品よりもダイヤモンドに近いため、ダイヤモンドと誤認されることがあります。多くの熱ダイヤモンド検査装置ではモアッサナイトとダイヤモンドを区別できませんが、この宝石は複屈折と紫外線照射下での非常にわずかな緑色または黄色の蛍光で区別できます。また、一部のモアッサナイトの石には、ダイヤモンドにはない湾曲した紐状のインクルージョンがあります^{[ 86 ] 。}  

鋼の製造に使用される塩基性酸素炉に溶解した炭化ケイ素は燃料として機能します。放出される追加のエネルギーにより、炉は同じ量の溶銑でより多くのスクラップを処理できます。また、出湯温度を上げたり、炭素とケイ素の含有量を調整したりするためにも使用できます。炭化ケイ素はフェロシリコンと炭素の組み合わせよりも安価で、微量元素のレベルが低いため、よりクリーンな鋼を生成し、排出量が少なく、ガス含有量が少なく、鋼の温度を下げません。^{[ 87 ]}

炭化ケイ素が示す酸化に対する自然な耐性、および表面積の大きい立方晶β-SiC形態を合成する新しい方法の発見により、不均一触媒担体としての使用に大きな関心が寄せられています。この形態は、n-ブタンなどの炭化水素を無水マレイン酸に酸化するための触媒担体として既に使用されています。^{[ 88 ] [ 89 ]}

炭化ケイ素は、コラグラフ印刷技法であるカーボランダム版画に用いられます。カーボランダムの粒子をペースト状にしてアルミニウム板の表面に塗布します。ペーストが乾燥したら、インクを塗布して粒子の表面に閉じ込め、余分な部分を拭き取ります。インクを塗布した版は、凹版印刷用の回転式プレス機で紙に印刷されます。こうして、紙にエンボス加工された絵の具の跡が残る版画が完成します。

カーボランダムグリットは石版画にも使用されます。その均一な粒子サイズにより、石を「研磨」して以前の画像を除去するために使用できます。研磨と同様のプロセスで、粗いグリットのカーボランダムを石に塗布し、レビゲーター（通常は垂直軸に偏心した円形プレート）で加工し、その後、石がきれいになるまで徐々に細かいグリットを適用します。これにより、グリースに敏感な表面が作られます。^{[ 90 ]}

炭化ケイ素は、その化学的性質によりSiCナノ構造の表面におけるグラフェンの生成を促進するため、グラフェンの製造に使用することができる。

グラフェンの製造においては、シリコンが主に基板として用いられます。しかし、実際には炭化ケイ素上にグラフェンを成長させる方法はいくつか存在します。閉じ込め制御昇華（CCS）法は、グラファイトとともに真空下で加熱されたSiCチップから構成されます。その後、真空を非常にゆっくりと解放することでグラフェンの成長を制御します。この方法では最高品質のグラフェン層が得られます。しかし、他の方法でも同様の結果が得られることが報告されています。

グラフェンを成長させる別の方法としては、真空中で高温でSiCを熱分解する方法がある。^{[ 91 ]}しかし、この方法では、層内に小さな結晶粒を含むグラフェン層が得られることがわかっている。^{[ 92 ]}そこで、グラフェンの品質と収率を向上させるための取り組みが行われてきた。そのような方法の1つは、アルゴン雰囲気中でシリコン終端SiCをex situグラファイト化する方法である。この方法では、他の方法で得られる層よりも大きなドメインサイズのグラフェン層が得られることが証明されている。この新しい方法は、多くの技術的用途向けに高品質のグラフェンを作るのに非常に有効である可能性がある。

グラフェン製造のこれらの方法をどのように、いつ使用するかを理解する上で、それらのほとんどは主に、成長可能な環境下でSiC上にグラフェンを生成または成長させるものです。SiC の熱特性のため、多くの場合、かなり高い温度（1,300℃など）で使用されます。^{[ 93 ]}しかし、グラフェンの製造に役立つより低い温度を使用する方法を生み出す可能性のある特定の手順が実行され、研究されています。より具体的には、グラフェン成長へのこの異なるアプローチは、約750  ℃の温度環境でグラフェンを生成することが観察されています。この方法は、化学気相成長（CVD）や表面偏析などの特定の方法の組み合わせを伴います。基板に関しては、この手順は、遷移金属の薄膜でSiC基板をコーティングすることから構成されます。そして、この物質を急速に熱処理した後、炭素原子は遷移金属膜の表面界面でより豊富になり、グラフェンが生成されます。そして、このプロセスは、基板表面全体にわたってより連続的なグラフェン層を生成することがわかりました。^{[ 94 ]}

炭化ケイ素は結晶格子内に点欠陥を持つことができ、これはカラーセンターとして知られています。これらの欠陥は必要に応じて単一光子を生成することができ、単一光子源のプラットフォームとして機能します。^{[ 95 ]}このようなデバイスは、量子情報科学の多くの新しいアプリケーションにとって基本的なリソースです。外部光源または電流を介してカラーセンターを励起すると、カラーセンターは励起状態になり、その後、1つの光子を放出して緩和します。^{[ 96 ] [ 97 ]}

炭化ケイ素のよく知られた点欠陥の 1 つは、ダイヤモンドの窒素空孔中心と同様の電子構造を持つ二重空孔です。4H-SiC では、二重空孔は 4 つの異なる配置を持ち、それぞれが 4 つのゼロフォノン線 (ZPL) に対応します。これらの ZPL 値は、表記 V _Si -V _Cと単位 eV を使用して、hh(1.095)、kk(1.096)、kh(1.119)、hk(1.150) と表されます。^{[ 98 ]}

炭化ケイ素は、その耐久性と耐摩耗性から釣りガイドの製造に使用されています。^{[ 99 ]}炭化ケイ素リングは、通常ステンレス鋼またはチタンで作られたガイドフレームに取り付けられ、ラインがロッドブランクに接触しないようにします。リングは、キャスティング距離を向上させる低摩擦表面を提供すると同時に、編み込み釣り糸による摩耗を防ぐのに十分な硬度を提供します。^{[ 100 ]}

炭化ケイ素は、陶磁器に塗布される釉薬の原料として使用されます。高温では金属酸化物を還元してシリカと二酸化炭素を生成します。これにより、発生した二酸化炭素ガスによって釉薬が泡立ち、クレーター状になったり、着色剤の酸化物を還元して銅赤色などの色を生成したりすることができます。これらの色は、電気窯での燃料式還元焼成でしか実現できません。 ^{[ 101 ]}