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 実験室で合成されたSiC単結晶
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| 名前 | |
|---|---|
| IUPAC名
メタニジリジンシラニリウム
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| 推奨されるIUPAC名
シリコンカーバイド | |
| その他の名前
カーボランダム
モアッサナイト | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| チェビ |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.006.357 |
| EC番号 |
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| 13642 | |
| メッシュ | シリコン+炭化物 |
パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| シリコンカーバイド | |
| モル質量 | 40.096グラム/モル |
| 外観 | 黄色から緑、青みがかった黒の虹色結晶[1] |
| 密度 | 3.16 g⋅cm -3（六角形）[2] |
| 融点 | 2,830 °C (5,130 °F; 3,100 K) [2] (分解) |
| 溶解度 | 水には溶けないが、溶融アルカリや溶融鉄には溶ける[3] |
| 電子移動度 | ~900 cm 2 /(V⋅s) (すべてのポリタイプ) |
磁化率（χ）
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−12.8 × 10 −6 cm 3 /モル[4] |
屈折率( n D )
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2.55（赤外線、全ポリタイプ）[5] |
| 危険 | |
| GHSラベル：繊維[6] | |
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| 危険 | |
| H350i | |
| P201、P202、P260、P261、P264、P270、P271、P280、P281、P302+P352、P304+P340、P305+P351+P338、P308+P313、P312、P314、P321、P332+P313、P337+P313、P362、P403+P233、P405、P501 | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
| NIOSH（米国健康暴露限界）： | |
PEL (許可)
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TWA 15 mg/m 3 (総量) TWA 5 mg/m 3 (相対量) [1] |
REL (推奨)
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TWA 10 mg/m 3 (総量) TWA 5 mg/m 3 (相対量) [1] |
IDLH（差し迫った危険）
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ND [1] |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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 インフォボックス参照
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炭化ケイ素（SiC ）はカーボランダム（/ ˌ k ɑːr b ə ˈ r ʌ n d əm / ）とも呼ばれ、ケイ素と炭素を含む硬い化合物です。ワイドバンドギャップ半導体で、自然界では非常に希少な鉱物モアッサナイトとして存在しますが、1893年以来、研磨剤として使用するために粉末や結晶の形で大量生産されています。炭化ケイ素の粒子は焼結によって結合して非常に硬いセラミックを形成し、自動車のブレーキ、クラッチ、防弾チョッキのセラミックプレートなど、高い耐久性が求められる用途に広く使用されています。レリー法で炭化ケイ素の大きな単結晶を成長させ、合成モアッサナイトと呼ばれる宝石にカットすることができます。
発光ダイオード(LED) や初期のラジオの検出器などのシリコンカーバイドの電子的応用は、1907 年頃に初めて実証されました。SiC は、高温または高電圧、あるいはその両方で動作する半導体電子デバイスに使用されます。
自然発生
天然のモアッサナイトは、特定の種類の隕石、コランダム鉱床、キンバーライトにごく微量しか存在しません。モアッサナイトの宝石を含め、世界で販売されている炭化ケイ素のほぼすべては合成です。
天然モアッサナイトは、1893年にアリゾナ州のキャニオンディアブロ隕石の小さな成分としてフェルディナンド・アンリ・モアッサンによって初めて発見され、1905年に彼の名にちなんで命名されました。 [7]モアッサンによる天然のSiCの発見は、当時すでに市場に出回っていたシリコンカーバイドの鋸刃によってサンプルが汚染されていた可能性があるため、当初は論争の的となりました。 [8]
地球上では稀ですが、シリコンカーバイドは宇宙では驚くほど一般的です。これは炭素を豊富に含む恒星の周りで見つかる一般的な星屑の一種で、この星屑の例は原始的な（変化していない）隕石の中にそのままの状態で見つかっています。宇宙や隕石で見つかるシリコンカーバイドは、ほぼ例外なくベータ多形です。炭素質コンドライト隕石であるマーチソン隕石で見つかったSiC粒子の分析により、炭素とシリコンの異常な同位体比が明らかになり、これらの粒子が太陽系外で発生したことを示しています。[9]
歴史
初期の実験
体系的ではなく、あまり認識されておらず、検証されていないことが多いシリコンカーバイドの合成には、次のものがあります。
- セザール・マンスエテ・デプレが砂に埋め込まれた炭素棒に電流を流す（1849年）
- ロバート・シドニー・マースデンによる黒鉛るつぼ内での溶融銀中のシリカの溶解（1881年）
- パウル・シュッツェンベルガーによるグラファイトるつぼでのシリコン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流下でのシリコンの加熱（1882年）。[10]
大規模生産
大規模生産は1891年のエドワード・グッドリッチ・アチソンによるものとされている。 [11]アチソンは人造ダイヤモンドを作ろうと、粘土（アルミニウムケイ酸塩）と粉末コークス（炭素）の混合物を鉄のボウルで加熱した。彼は形成された青い結晶をカーボランダムと呼び、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。モアッサンはまた、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日にシリコンカーバイド粉末の製造方法の特許を取得しました。 [12]アチソンは、現在でもSiCを製造するために使用される電気バッチ炉も開発し、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ました。[13] 1900年に、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ましたが、裁判官の判決により、同社の創設者らは「白熱法による鉱石やその他の物質の還元」に対して「広範な優先権」を与えられました。[14]
SiCの最初の用途は研磨剤でした。その後、電子用途に転じました。20世紀初頭、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結晶に電圧をかけて陰極で黄色、緑、オレンジ色の発光を観測することで、最初のLEDを製作しました。この効果は、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]
生産
天然のモアッサナイトは極めて希少であるため、ほとんどのシリコンカーバイドは合成です。シリコンカーバイドは研磨剤として、また半導体や宝石品質のダイヤモンド模造品として使用されます。シリコンカーバイドを製造する最も簡単なプロセスは、アチソングラファイト電気抵抗炉でシリカ 砂と炭素を1,600 °C (2,910 °F) ～ 2,500 °C (4,530 °F) の高温で混合することです。植物性物質 (例: 籾殻) に含まれる微細な SiO 2 粒子は、有機物質からの過剰炭素を加熱することで SiC に変換できます。[ 17 ]シリコン金属およびフェロシリコン合金の製造時に副産物として生じるシリカフュームも、グラファイトとともに 1,500 °C (2,730 °F) で加熱することで SiC に変換できます。[18]
アチソン炉で生成される物質の純度は、グラファイト 抵抗器の 熱源からの距離に応じて異なります。無色、淡黄色、緑色の結晶は最も純度が高く、抵抗器に最も近い位置にあります。抵抗器からの距離が離れるほど色は青や黒に変わり、これらの暗い結晶は純度が低くなります。窒素とアルミニウムは一般的な不純物であり、SiCの電気伝導性に影響を与えます。[19]
純粋なシリコンカーバイドは、レリー法[20]で製造することができます。レリー法では、SiC粉末をアルゴンガス雰囲気中2,500℃でシリコン、炭素、二炭化シリコン（SiC 2）、二炭化シリコン（Si 2 C）の高温種に昇華させ、わずかに冷たい基板で最大2×2cmの大きさの薄片状の単結晶[21]に再堆積させます。このプロセスでは、主に6H-SiC相の高品質の単結晶が得られます（成長温度が高いため）。
グラファイトるつぼでの誘導加熱を伴う改良されたレリー法では、直径4インチ（10cm）のさらに大きな単結晶が得られ、断面は従来のレリー法の81倍の大きさになります。[22]
立方晶SiCは通常、シラン、水素、窒素の化学気相成長法（CVD）というより高価なプロセスによって成長します。 [19] [23]ホモエピタキシャルおよびヘテロエピタキシャルSiC層は、気相および液相アプローチの両方を使用して成長させることができます。[24]
複雑な形状の SiC を形成するために、プレセラミックポリマーを前駆体として使用し、1,000～1,100 °C の温度で熱分解してセラミック製品を形成します。 [25]このような方法でシリコンカーバイドを得るための前駆体材料には、ポリカルボシラン、ポリメチルシラン、ポリシラザンなどがあります。[26]プレセラミックポリマーの熱分解によって得られるシリコンカーバイド材料は、ポリマー由来セラミックまたは PDCとして知られています。プレセラミックポリマーの熱分解は、ほとんどの場合、比較的低温で不活性雰囲気下で行われます。CVD プロセスと比較して、熱分解法は、ポリマーをセラミックに熱分解する前にさまざまな形状に成形できるため有利です。[27] [28] [29] [30]
SiCはダイヤモンドワイヤーソーまたはレーザーを使用して単結晶を切断することでウェハーにすることもできます。SiCはパワーエレクトロニクスに使用される有用な半導体です。[31]
構造と特性
炭化ケイ素には約250の結晶形態が存在する。[32]プレセラミックポリマーの不活性雰囲気熱分解により、ガラス状非晶質形態の炭化ケイ素も生成される。[33] SiCの多形性は、ポリタイプと呼ばれる類似の結晶構造の大きなファミリーによって特徴付けられる。これらは、2次元では同一だが3次元では異なる、同じ化合物のバリエーションである。したがって、それらは特定の順序で積み重ねられた層として見ることができる。[34]
アルファシリコンカーバイド（α-SiC）は最も一般的に見られる多形であり、1,700℃を超える温度で形成され、六方晶の 結晶構造（ウルツ鉱に類似）を持っています。ベータ変態（β-SiC）は閃亜鉛鉱型の結晶構造（ダイヤモンドに類似）を持ち、1,700℃未満の温度で形成されます。 [35]最近まで、ベータ形態の商業的用途は比較的少なかったが、アルファ形態に比べて表面積が大きいため、 不均一触媒の担体として使用することに現在関心が高まっている。
純粋なSiCは無色です。工業製品の茶色から黒色は鉄の不純物によるものです。[39]結晶の虹のような光沢は、表面に形成される 二酸化ケイ素の不動態層の薄膜干渉によるものです。
SiC は昇華温度が高い (約 2,700 °C) ため、ベアリングや炉の部品に便利です。炭化ケイ素は溶融しませんが、グラファイトのように 2,700 °C 付近で昇華し始め、その温度付近でかなりの蒸気圧を持ちます。また、SiO 2の薄い不動態層が形成されるため、化学的に非常に不活性です。現在、電子機器の半導体材料としての使用に大きな関心が寄せられており、その高い熱伝導率、高い電界破壊強度、および高い最大電流密度により、高出力デバイスにはシリコンよりも有望です。[40] SiC は、300 K 付近で約 2.3 × 10 −6 K −1と非常に低い熱膨張係数を持ち(4H および 6H SiC の場合)、5 K から 340 K の温度範囲で熱膨張係数の不連続を引き起こすような相転移は起こりません。 [19] [38]
電気伝導性
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、ガリウムでp型にドープすることができる。[5]ホウ素、アルミニウム、窒素を大量にドープすることで金属的な導電性が実現されている。
3C-SiC:Al、3C-SiC:B、6H-SiC:B では、約 1.5 K の同様の温度で超伝導が検出されています。[ 35] [41]ただし、アルミニウムとホウ素のドーピングでは、磁場の挙動に決定的な違いが見られます。3C-SiC:Al はタイプ IIです。対照的に、3C-SiC:B はタイプ Iであり、6H-SiC:B も同様です。したがって、超伝導特性は、ポリタイプ (3C- vs. 6H-) よりも、ドーパント (B vs. Al) に依存しているようです。この依存性を説明するために、B は SiC の C サイトを置換しますが、Al は Si サイトを置換することが指摘されました。したがって、Al と B は、両方のポリタイプで異なる環境を「認識」します。[42]
用途
研磨工具および切削工具
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芸術の分野では、炭化ケイ素はその耐久性と低コストのため、現代の宝石細工では人気の研磨材です。製造業では、その硬度を利用して、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工程で使用されます。SiCは、酸化アルミニウムに比べて、サンドブラストに非常に鋭く硬い代替品となります。炭化ケイ素の粒子を紙に積層して、サンドペーパーやスケートボードのグリップテープを作ります。[43]
1982年に、非常に強度の高い酸化アルミニウムと炭化ケイ素のウィスカーの複合材料が発見されました。この実験室で製造された複合材料を商品化するのに、わずか3年しかかかりませんでした。1985年に、このアルミナと炭化ケイ素のウィスカー強化複合材料から作られた最初の市販の切削工具が市場に投入されました。[44]
構造材料
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1980年代から1990年代にかけて、シリコンカーバイドは、欧州、日本、米国で高温ガスタービンの研究プログラムで研究されました。この部品は、ニッケル 超合金の タービンブレードやノズルベーンを置き換えることを目的としていました。[45]しかし、これらのプロジェクトのいずれも、主に耐衝撃性と破壊靭性の低さのため、大量生産には至りませんでした。[46]
他の硬質セラミック（アルミナや炭化ホウ素）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板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。[47] 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ます。異常に長い炭化ケイ素粒の成長は、ウィスカー強化と同様に、亀裂後流ブリッジングを通じて強化効果を付与する役割を果たす可能性があります。同様のAGG強化効果は、窒化ケイ素（Si 3 N 4 ）でも報告されています。[48]
炭化ケイ素は、陶磁器の焼成、ガラスの溶融、ガラスの鋳造などの高温窯の支持材や棚板として使用されます。炭化ケイ素の窯棚は、従来のアルミナの棚板よりもかなり軽量で耐久性に優れています。[49]
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ことが、航空宇宙、自動車、マイクロエレクトロニクスに適した新しい強度と可塑性を備えた合金を製造する方法として言及されました。[50]
自動車部品
シリコンを浸透させた炭素炭素複合材は、極度の温度に耐えられるため、高性能の「セラミック」ブレーキディスクに使用されています。シリコンは炭素炭素複合材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、一部の公道走行可能なスポーツカー、スーパーカー、およびポルシェカレラ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、[51] ベントレー、フェラーリ、ランボルギーニ、および一部の特定の高性能アウディ車を含むその他の高性能車に使用されています。シリコンカーバイドは、ディーゼル微粒子フィルターの焼結体としても使用されています。[52]また、摩擦、排出ガス、高調波を低減するためのオイル添加剤としても使用されています[疑わしい-議論] [明確化が必要] 。 [53] [54]
鋳造るつぼ
SiCは、小規模および大規模の鋳造用途で溶融金属を保持するためのるつぼに使用されます。[55] [56]
電気システム
SiCの最も初期の電気的用途は、電力システムの避雷器のサージ保護でした。これらのデバイスは、電圧が一定のしきい値V Tに達するまで高い抵抗を示し、その時点で抵抗が低くなり、印加電圧がV Tを下回るまでこのレベルを維持し、電流が地面に流れます。[57]
SiC が電圧に依存する抵抗を持つことは早くから[いつ]認識されていたため、高圧電力線と大地の間に SiC ペレットの列が接続されていました。電力線への落雷によって線間電圧が十分に上昇すると、SiC 列が導通し、落雷電流が電力線に沿って流れるのではなく、大地へ無害に流れます。SiC 列は、通常の電力線の動作電圧で大幅に導電性があ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、落雷によって電力線導体の電圧が上昇するとイオン化されて導電性になり、電力導体と大地の間の SiC 列を効果的に接続します。避雷器に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できないか、その後オフになりません。後者の場合は、材料の破損またはほこりや塩による汚染が原因です。SiC 列の使用は、もともと避雷器のスパークギャップの必要性をなくす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大きく置き換えられました。[58]
電子回路素子
炭化ケイ素は、商業的に重要な最初の半導体材料でした。水晶ラジオの「カーボランダム」(合成炭化ケイ素) 検出器ダイオードは、ヘンリー・ハリソン・チェイス・ダンウッディによって1906 年に特許を取得しました。これは、船上受信機で初期から広く使用されていました。
パワーエレクトロニクス機器
1993年、シリコンカーバイドは研究と初期の量産の両方において、高速、高温、高電圧デバイスに利点をもたらす半導体であると考えられていました。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、その後、高出力スイッチング用の接合ゲートFETとMOSFETが続きました。バイポーラトランジスタとサイリスタが説明されました。[40]
SiCの商業化における大きな問題は、欠陥の除去であった：刃状転位、らせん転位（中空と閉コアの両方）、三角欠陥、基底面転位。[59]その結果、SiC結晶で作られたデバイスは当初逆ブロッキング性能が低かったが、研究者はブレークダウン性能を改善するための解決策を暫定的に見つけてきた。[60]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。そのメカニズムはまだ不明であるが、窒化により界面の問題を引き起こす欠陥が劇的に減少した。[61]
2008年に、定格1,200 Vの最初の商用JFETが市場に導入され、[62] 2011年には定格1200 Vの最初の商用MOSFETが続きました。現在、JFETは定格650 V～1,700 Vで、抵抗は25 mΩと低くなっています。人気のTO-247およびTO-220パッケージのSiCスイッチと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）の他に、企業はそれよりもさらに早くから、パワーエレクトロニクスモジュールにベアチップを実装し始めていました。
SiC SBDダイオードは、 PFC回路やIGBT パワーモジュールに広く利用されています。[63]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進歩について定期的に報告されています。SiCパワーデバイスの能力を完全に発揮させるための主な課題は次のとおりです。
- ゲート駆動：SiCデバイスでは、シリコンデバイスとは異なるゲート駆動電圧レベルが必要になることが多く、たとえば+20Vと-5Vのように非対称になることもあります。[64]
- 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。デバイスから熱を効率的に放出し、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。[65]
テスラ モデル3から、駆動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チップが24組使用されています。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に比べて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。ウルフスピードが2022年にニューヨーク州北部に開設する大規模工場を皮切りに、シリコンカーバイドの生産量が大幅に増加すると予想されています。[66] [67]
LED について
エレクトロルミネセンスの現象は1907年にシリコンカーバイドを用いて発見され、最初の商用LEDのいくつかはこの材料に基づいていました。ゼネラルエレクトリックオブアメリカが1967年3月にSSL-1ソリッドステートランプを発表しました。これは、黄色の光を発する半導体SiCの小さなチップを使用しており、当時世界で最も明るいLEDでした。[68] 1970年までには、より明るい赤色LEDに取って代わられましたが、3C-SiC製の黄色LEDは1970年代にソ連で製造され続けました[69] 。青色LED （6H-SiC）は1980年代に世界中で製造されました。[70]
炭化物LEDの生産は、別の材料である窒化ガリウムが10～100倍明るい発光を示したため、すぐに中止されました。この効率の違いは、SiCの不利な間接バンドギャップによるものですが、GaNは発光に有利な直接バンドギャップを持っています。しかし、SiCは今でも重要なLEDコンポーネントの1つです。GaNデバイスを成長させるための一般的な基板であり、高出力LEDのヒートスプレッダーとしても機能します。[70]
天文学
低い熱膨張係数、[38]、高い硬度、剛性、熱伝導性により、シリコンカーバイドは天体望遠鏡のミラー材料として望ましい。成長技術（化学蒸着）は、直径3.5メートル（11フィート）までの多結晶シリコンカーバイドのディスクを生産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おり、[71] [72]ガイア宇宙望遠鏡のサブシステムも剛性シリコンカーバイドフレームに搭載されており、熱によって膨張したり収縮したりしない安定した構造となっている。
細フィラメント高温測定
シリコンカーバイド繊維は、細フィラメント高温測定法と呼ばれる光学技術でガス温度を測定するために使用されます。この技術では、高温のガス流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放出は、フィラメント温度と相関関係があります。フィラメントは、直径 15 マイクロメートルの SiC 繊維で、これは人間の髪の毛の約 5 分の 1 に相当します。繊維が非常に細いため、炎を乱すことはほとんどなく、繊維の温度は局所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。[73] [74]
加熱要素
シリコンカーバイド発熱体に関する文献は、20世紀初頭に米国のアチソンズカーボランダム社とベルリンのEKL社で製造されていたものから存在する。シリコンカーバイドは金属ヒーターに比べて動作温度が高かった。シリコンカーバイド素子は現在、ガラスや非鉄金属の溶解、金属の熱処理、フロートガラス製造、セラミックスや電子部品の製造、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。 [75]
熱シールド
NASAのLOFTID膨張式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、繊維の直径が非常に小さいため、束ねて糸に紡ぐことができます。[76]
原子力応用
SiCは中性子吸収能力に優れているため、原子炉の燃料被覆材や核廃棄物封じ込め材料として使用されています。[77]また、原子力施設の放射線レベル監視、環境監視、医療用画像診断用の放射線検出器の製造にも使用されています。[78]また、原子炉用のSiCセンサーと電子機器は、将来の火星原子力発電や地上の小型原子力発電所への応用を視野に入れて開発されています。[79]
核燃料粒子と被覆管
シリコンカーバイドは、ペブルベッド原子炉などの高温ガス冷却炉で使用される核燃料であるTRISO被覆燃料粒子の重要な材料です。シリコンカーバイドの層は被覆燃料粒子に構造的サポートを与え、核分裂生成物の放出に対する主な拡散障壁となります。[80]
軽水炉のジルカロイ被覆材の代替品として、シリコンカーバイド複合材料の使用が検討されている。この検討の理由の 1 つは、ジルカロイが水との腐食反応の結果として水素脆化を起こすことである。これにより、放射状水素化物の体積分率が増加すると破壊靭性が低下する。この現象は温度上昇とともに劇的に増加し、材料に悪影響を及ぼす。[81]シリコンカーバイド被覆材は、このような機械的劣化を起こさず、代わりに温度上昇でも強度特性を維持する。この複合材料は、SiC 繊維を SiC 内層に巻き付け、SiC 外層で囲んだ構造である。[82] SiC 複合材料のピースを接合する能力に問題があることが報告されている。[83]
ジュエリー
ジュエリーに使用される宝石として、炭化ケイ素は「合成モアッサナイト」、または鉱物名にちなんで単に「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に似ています。透明で硬く（モース硬度は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いくらか硬いです。ダイヤモンドとは異なり、モアッサナイトは強い複屈折を起こすことがあります。このため、モアッサナイトのジュエリーは複屈折の影響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（密度は3.21 g/cm 3 vs. 3.53 g/cm 3 ）、熱に対する耐性がはるかに優れています。その結果、より光沢があり、ファセットが鋭く、弾力性に優れた石になります。モアッサナイトのルース石は、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。 [84]モアッサナイトは1,800 °C (3,270 °F) までの温度でも損傷を受けないためです。モアッサナイトはダイヤモンドの代用品として人気が高まっており、その熱伝導率は他のどの代用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下での非常にわずかな緑または黄色の蛍光で区別されます。モアッサナイト石の中には、ダイヤモンドには決してない、湾曲した紐状の内包物を持つものもあります。[85]
鉄鋼生産
炭化ケイ素は、鉄鋼製造に使用される酸素炉に溶解され、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、出湯温度を上げて炭素とケイ素の含有量を調整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産し、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。[86]
触媒サポート
炭化ケイ素が示す酸化に対する自然な耐性と、より大きな表面積を持つ立方晶系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集まっています。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すでに使用されています。[ 87] [88]
カーボランダム版画
シリコンカーバイドは、カーボランダム版画（コラグラフ 版画技法）に使用されます。カーボランダム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、版のむき出しの部分から拭き取ります。次に、凹版版画に使用されるローリングベッドプレスでインク版を紙に印刷します。その結果、紙にエンボス加工されたペイントマークの印刷が完成します。
カーボランダム グリットは石のリトグラフにも使用されます。均一な粒子サイズのため、石を「グレイン」して以前のイメージを取り除くことができます。サンディング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、垂直シャフトに偏心した円形プレートであるレビゲーターで作業します。その後、石がきれいになるまで徐々に細かいグリットを塗布します。これにより、グリースに敏感な表面が作成されます。[89]
グラフェン生産
シリコンカーバイドは、SiC ナノ構造の表面でのグラフェンの生成を促進する化学的特性を持っているため、 グラフェンの製造に使用できます。
製造に関しては、シリコンは主にグラフェンを成長させるための基板として使用されます。しかし、実際にはシリコンカーバイド上にグラフェンを成長させるのに使用できる方法はいくつかあります。閉じ込め制御昇華 (CCS) 成長法は、真空下でグラファイトとともに加熱された SiC チップで構成されます。その後、真空を非常にゆっくりと解放して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。ただし、他の方法でも同じ製品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ります。[90]しかし、この方法では、層内に小さな粒子を含むグラフェン層が生成されます。[91]そのため、グラフェンの品質と収率を向上させる取り組みが行われてきました。そのような方法の1つは、アルゴンを含む雰囲気中でシリコン末端SiCのex situ グラファイト化を実行することです。この方法では、他の方法で達成でき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ます。この新しい方法は、さまざまな技術アプリケーション向けに高品質のグラフェンを製造するのに非常に有効です。
これらのグラフェン製造方法をどのように、いつ使用するかという点について言えば、そのほとんどは主に、成長を可能にする環境内で SiC 上にグラフェンを製造または成長させます。SiC の熱特性のため、この方法は比較的高い温度 (1,300 °C など) で最も頻繁に使用されます。[92]ただし、より低い温度でグラフェンを製造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、グラフェン成長に対するこの異なるアプローチにより、約 750 °C の温度環境でグラフェンが生成されることがわかりました。この方法は、化学蒸着 (CVD) や表面分離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 SiC 基板を遷移金属の薄膜でコーティングすることから成ります。この物質を急速に熱処理すると、遷移金属膜の表面界面で炭素原子がより豊富になり、グラフェンが生成されます。このプロセスにより、基板表面全体でより連続したグラフェン層が生成されることが確認されました。[93]
量子物理学
炭化ケイ素は結晶格子中に点欠陥を持つことができ、これは色中心として知られている。これらの欠陥は要求に応じて単一光子を生成することができるため、単一光子源のプラットフォームとして機能する。[94]このようなデバイスは、量子情報科学の多くの新興アプリケーションにとって基本的なリソースである。外部光源または電流を介して色中心をポンプすると、色中心は励起状態になり、その後1つの光子を放出して緩和する。[95] [96]
炭化ケイ素のよく知られた点欠陥の一つに、ダイヤモンドの窒素空孔中心と似た電子構造を持つ二空孔がある。4H-SiCでは、二空孔は4つの異なる構成を持ち、それぞれが4つのゼロフォノン線（ZPL）に対応する。これらのZPL値は、V Si -V C の表記とeVの単位を使用して表される：hh(1.095)、kk(1.096)、kh(1.119)、hk(1.150)。[97]
釣り竿ガイド
シリコンカーバイドは耐久性と耐摩耗性があるため、釣りガイドの製造に使用されています。[98] シリコンカーバイドリングは、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触れないようにします。リングは摩擦の少ない表面を提供し、キャスティング距離を向上させると同時に、編組釣り糸による摩耗を防ぐのに十分な硬度を提供します。[99]
陶器の釉薬
炭化ケイ素は陶磁器に塗られる釉薬の原料として使われています。高温で金属酸化物を還元してシリカと二酸化炭素を形成します。これを利用して、発生した二酸化炭素ガスによって釉薬の泡やクレーターを作ったり、着色剤の酸化物を還元して電気窯での燃料還元焼成でしか実現できない銅赤などの色を実現したりできます。[100]
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、シリコンカーバイドに関連するメディアがあります。
- Kelly, JF「シリコンカーバイドの簡単な歴史」ロンドン大学。
- 「モアッサナイト」。Mindat.org。
- 「シリコンカーバイド」。NIOSH化学物質の危険性に関するポケットガイド。
- Mantooth, Alan; Zetterling, Carl-Mikael; Rusu, Ana (2021年4月28日)。「地獄に送れる無線機：シリコンカーバイド無線回路は金星の火山熱に耐えられる」IEEE Spectrum。
- Asianometry (2022 年 7 月)。「シリコンカーバイド: パワーエレクトロニクス革命」。YouTube。