Silisyum Karbür (Moissanit / Karborundum): Oluşumu, Jeoloji ve Çeşitleri
Linas JuozenasPaylaş
Oluşum, jeoloji ve malzeme çeşitleri
Silikon Karbür: Yıldız Tozundan Tasarlanmış Kristale
Doğal moissanit, fırında yetiştirilen karborundum, mücevher moissaniti ve yüksek performanslı SiC plakalarının arkasındaki bileşik olan silikon karbür için tam bir oluşum profili. Hikayesi karbon açısından zengin yıldızlarda başlar, Dünya'da nadiren görülür ve endüstri aşırı indirgen koşulları hassasiyetle yeniden yarattığında bol hale gelir.
- SiC
- Doğada moissanit
- Fırın büyümesiyle karborundum
- Politipik kristal yapılar
- Meteorit ve ön-yıldız taneleri
Silikon karbür, silikon ve karbonun bir bileşiğidir. Doğal mineral olarak moissanit olarak adlandırılır, ancak mücevher veya sergi için yeterince büyük doğal kristaller son derece nadirdir. Günümüzde karşılaşılan çoğu görünür SiC malzemesi sentetiktir: elektrik fırınlarında yetiştirilen aşındırıcı karborundum, mücevher için yetiştirilen tek kristal moissanit veya elektronik için üretilen yüksek saflıkta SiC. Bu ayrım, jeolojisi ve çeşitleri hakkında doğru bir tartışmanın merkezindedir.
Silikon Karbür Nedir
Silikon karbür, SiC, fiziksel dayanıklılığı silikon ve karbonun kovalent ağına dayanan güçlü bağlı kristal bir bileşiktir.
Doğal mineral adı moissanittir. Tarihsel endüstriyel adı karborundum, özellikle fırında yetiştirilen aşındırıcı sentetik SiC'yi ifade eder. Bu iki isim genellikle birlikte karşılaşılır, ancak farklı bağlamları tanımlar: moissanit mineral türü iken karborundum üretim ve ticaret mirasıdır.
SiC sert, ateşe dayanıklı, ısıya dayanıklı ve elektriksel olarak önemlidir. Aşındırıcılar, yüksek sıcaklık seramikleri, güç elektroniği, yarı iletken plakalar ve laboratuvarda yetiştirilen değerli taşlarda kullanılır. Bu modern kullanımlar, doğal moissanitin nadir ve genellikle çok küçük olduğu mineralojik gerçeği gölgelememelidir.
Ana fark: gökkuşağı renkli, sivri uçlu, iridesan SiC kümesi neredeyse her zaman fırında yetiştirilmiş karborundumdur. Doğal moissanit gerçektir, ancak çoğu yeryüzü oluşumu mikroskobik taneler veya özel ortamlarda küçük kristallerdir.
Yıldız ve Meteor Kökenleri
Silikon karbür, en eski hikayesi Dünya dışında başlayan birkaç mücevherle ilgili malzemeden biridir.
Karbon açısından zengin yıldız dışa akımlarında, özellikle karbon/oksijen oranı birden büyük olduğunda, oksijen diğer bileşiklere bağlandıktan sonra karbon mevcut kalır. Soğuma koşullarında silikon ve karbon küçük SiC taneleri halinde yoğunlaşabilir. Bu taneler yıldızlararası toz bulutlarına girebilir, ilkel meteorların içine dahil olabilir ve Güneş Sistemi'nden daha eski izotopik imzalara sahip presolar taneler olarak hayatta kalabilir.
Moissanit ayrıca belirli meteor malzemelerinde de tanımlanmıştır. Bu oluşumlar, izotopik desenleri yıldız nükleosentezi hakkında bilgi koruduğu için kozmokimya açısından önemlidir. Ancak el örneklerinde, Dünya dışı SiC genellikle dekoratif karborundumda görülen parlak madde değildir; genellikle mikroskobiktir ve görsel olarak sergilenmekten çok bilimsel olarak incelenir.
Karbon açısından zengin gaz
SiC, oksijen daha kararlı oksijen içeren türler tarafından tüketildikten sonra karbon mevcut olduğunda en kolay yoğunlaşır.
Presolar taneler
İlkel meteorlar, yıldız kökenlerine işaret eden izotopik bileşimlere sahip küçük silikon karbür tanelerini koruyabilir.
Meteor moissaniti
Meteor malzemesinde doğal SiC bilimsel olarak önemlidir, ancak genellikle ticari kristallere benzemeyecek kadar küçük veya iç içe geçmiş haldedir.
Dünyevi Oluşum: Doğal Moissanitin Nadir Olmasının Nedeni
Dünya'nın kabuğu ve mantosu genellikle silikon karbürün yaygın ve kararlı bir mineral olması için çok oksijenlidir. Silikon genellikle oksijenle bağlanarak silikatlar veya silika oluşturur ve karbon genellikle karbonat, grafit, elmas, organik madde veya serbest karbon olarak değil, sıvı türler halinde bulunur.
SiC'nin Dünya'da oluşabilmesi için ortamın oldukça indirgen, sıcak ve yerel olarak alışılmadık olması gerekir. Bildirilen ortamlar arasında manto kökenli veya ultramafik kayalar, metasomatik mikro ortamlar ve çarpma ya da şok bağlamları bulunur. SiC oluşsa bile, çok küçük, sonraki oksidasyon sırasında kararsız veya sadece küçük inklüzyonlar olarak korunmuş olabilir.
Ultramafik ve manto kökenli kayalar
Nadir mikrokristalin moissanit, düşük oksijen fugasitesi ve yüksek karbon aktivitesine sahip ortamlarda oluşabilir. Bunlar sıradan mücevher yatakları değil, özel jeokimyasal nişlerdir.
Metasomatik reaksiyon bölgeleri
Karbon açısından zengin sıvılar veya gazlar, silikon içeren minerallerle etkileşime girerek SiC'nin çekirdeklenebileceği kısa ömürlü, güçlü indirgen mikro bölgeler oluşturabilir.
Çarpma ve şok ortamları
Aşırı sıcaklıklar, kısa basınç darbeleri ve lokal indirgen koşullar alışılmadık karbür oluşumunu destekleyebilir, ancak örnekler genellikle çok küçüktür.
Yüksek sıcaklıkta indirgen koşullar altında SiC oluşumunu özetlemek için kullanılan kavramsal reaksiyonlar:
SiO2 + 3C → SiC + 2CO SiO(g) + 2C → SiC + CO Si(l) + C(s) → SiC(s)Bu denklemler basitleştirilmiştir. Doğal sistemler sıvı kimyası, oksijen kaçışı, sıcaklık gradyanları, katalizörler, safsızlıklar ve sonraki değişiklikleri içerir.
Laboratuvar Büyümesi ve Endüstriyel Sentez
İnsan üretimi, Dünya'nın nadiren doğal olarak koruduğu yüksek sıcaklık ve indirgen koşulları yeniden yaratarak silikon karbürü bol hale getirir.
Acheson prosesi
Silika kumu ve karbon, genellikle 2000 °C'nin üzerinde bir elektrik direnç fırınında ısıtılır, büyük SiC blokları oluşur; bunlar aşındırıcı olarak kırılabilir veya dekoratif plakalar halinde kesilebilir.
PVT ve Lely tipi büyüme
Yüksek saflıkta SiC tozu, çok yüksek sıcaklıkta bir tohum kristal üzerine süblime olur ve yeniden yoğunlaşır, böylece yetiştiriciler kristal yönelimini kontrol edebilir ve 4H veya 6H gibi hedef politipleri seçebilir.
CVD ve epitaksi
Gaz fazı biriktirme, hazırlanmış waferlar üzerinde kontrollü SiC katmanları üretir. Yarı iletken davranışı ayarlamak için azot, alüminyum veya bor eklenebilir.
Fırında yetiştirilen karborundumun tanıdık iridesansı büyük ölçüde ince yüzey oksit filmlerinden ve girişim renklerinden kaynaklanır, sadece SiC'nin doğal gövde renginden değil. Mücevher moissanit genellikle yüksek kaliteli tek kristal olarak yetiştirilir ve ardından mücevher gibi kesilir; yarı iletken SiC ise güç cihazları ve yüksek sıcaklık elektroniği için wafer olarak yetiştirilir ve işlenir.
Politipler ve Kristal Mimarisi
Silikon karbür politipiktir: kimyasal bileşim SiC olarak kalır, ancak silikon-karbon katmanlarının dizilişi değişir. Bu dizilim farkları farklı kristal yapılar oluşturur ve optik, elektriksel ve termal davranışı etkiler.
| Politip | Yapı | Yaygın bağlam | Pratik önemi |
|---|---|---|---|
| 3C-SiC | Kübik, genellikle beta-SiC olarak adlandırılır | Daha düşük sıcaklıkta sentez, filmler, inklüzyonlar, bazı epitaksiyel çalışmalar. | Malzeme biliminde faydalı; tipik mücevher ham maddesi yerine ince taneli veya film malzeme olarak görünebilir. |
| 4H-SiC | Altıgen | Yüksek performanslı güç elektroniği ve wafer büyümesi. | Elektronik özellikleri, yüksek kırılma alanı ve wafer uygulamaları için değerli. |
| 6H-SiC | Altıgen | Moissanit taşı ve bazı wafer bağlamları. | Kesilmiş taşlarda güçlü optik ateşle bilinir; tarihsel olarak taş büyümesinde önemli. |
| 15R-SiC ve ilgili formlar | Rombik ve diğer yığılma varyantları | Özel sentetik veya araştırma bağlamları. | SiC'nin yapısal çeşitliliğini gösterir, ancak sıradan örneklerde daha az karşılaşılır. |
Polityp farkları çıplak gözle genellikle ince ama elektronik, taş optiği ve kristalografik tanımlamada önemlidir. Aynı kimya, atomik katmanlar farklı bir ritimde üst üste bindiğinde farklı davranabilir.
Çeşitler, Ticari Formlar ve İnceleme Malzemesi
İnsanların karşılaştığı formlar oluşum yoluna göre şekillenir. Doğal bir presolar tane, fırında yetiştirilen iridesan küme, fasetli moissanite ve bir yarı iletken wafer hepsi SiC'dir, ancak çok farklı geçmişleri temsil eder.
| Form | Nasıl oluşur | Görünüm | En iyi şekilde tanımlanır |
|---|---|---|---|
| Presolar SiC taneleri | Karbon açısından zengin yıldız ortamlarında yoğunlaşmış ve ilkel meteoritlerde korunmuş. | İzotop analiziyle incelenen mikroskobik taneler. | Doğal dünya dışı silikon karbür. |
| Karasal moissanite | Nadiren yüksek indirgenmiş karasal mikro ortamlarında oluşur. | Çoğunlukla kapalı veya iç içe geçmiş küçük taneler veya küçük kristaller. | Doğal mineral moissanite. |
| Gökkuşağı karborundum | Acheson prosesi fırın büyümesi, ardından daha büyük bloklardan kırılarak veya dilimlenerek elde edilir. | Koyu SiC kristalleri üzerinde iridesan mavi, mor, altın, yeşil ve pembe filmler. | Sentetik fırında yetiştirilen silikon karbür. |
| Mücevher moissanit | PVT veya ilgili yöntemlerle yüksek saflıkta tek kristal büyüme, ardından fasetleme. | Renkless veya renkli fasetli taşlar, yüksek dağılım özelliğine sahip. | Laboratuvarda yetiştirilen moissanite değerli taş. |
| SiC waferları | Kontrollü tek kristal büyüme, dilimleme, parlatma, katkı maddesi ekleme ve epitaksi. | İnce, mühendislik ürünü waferlar, genellikle gri, yeşilimsi veya kalınlık ve işleme bağlı olarak seçilen dalga boylarına şeffaftır. | Teknik yarı iletken malzeme. |
| Aşındırıcı taneler | Kırılmış ve sınıflandırılmış fırında yetiştirilen SiC. | Açılı, çok sert siyah veya yeşil taneler. | Endüstriyel aşındırıcı veya refrakter malzeme. |
Tanımlama ve Benzerleri
Silikon karbür, bağlam, sertlik, parlaklık, kırılma, yoğunluk ve optik davranışın birleşimiyle en iyi şekilde tanınır. Görsel inceleme tek başına yanıltıcı olabilir, özellikle fırında yetiştirilen SiC metalik mineraller, camsı cüruf veya polikristalin silikon yakınlarında satılabilir.
Sertlik
SiC son derece serttir, Mohs sertlik skalasında yaklaşık 9–9,5 arasındadır. Bu, onu elementel silikon, kuvars, cam, birçok cevher ve çoğu dekoratif endüstriyel parçadan ayırır.
Parlaklık ve kırık görünümü
Taze yüzeyler yarı metalik ila elmas gibi görünebilir. Kırık sentetik kümeler keskin, açılı ve gökkuşağı yüzey filmleri altında koyu olabilir.
Yoğunluk
SiC'nin yoğunluğu yaklaşık 3.2 g/cm³'tür, kuvars ve elementel silikonun üzerindedir ancak galena veya diğer yoğun metal cevherlerinden çok daha hafiftir.
Gökkuşağımsılık
Gökkuşağı karborundumun güçlü yağ tabakası renkleri genellikle doğal moissanit yerine ince oksit filmleri olan sentetik fırın malzemesini işaret eder.
| Malzeme | Neden karışabilir | Faydalı ayırım |
|---|---|---|
| Polikristalin silikon | Gümüş-gri, kristal yapılı, endüstriyel görünümlü ve kırılgandır. | Silikon daha yumuşak, daha düşük yoğunluklu ve daha az gökkuşağımsı; SiC çok daha sert ve genellikle daha koyu veya daha elmas gibi görünür. |
| Hematit | Metalik gri ila siyah parlaklık. | Hematit daha yoğundur ve kırmızımsı bir çizgi verir; SiC daha hafif ve çok daha serttir. |
| Galena | Parlak metalik yüzeyler. | Galena çok yoğundur ve kübik kırılma gösterir; SiC daha sert, daha hafif ve galenanının kurşun-gri yumuşaklığından yoksundur. |
| Cam veya cüruf | Parlak kırık, kabarcıklar veya gökkuşağı yüzeyler gösterebilir. | Cam çok daha yumuşaktır ve genellikle akış dokuları veya kabarcıklar gösterir; SiC kristal yapılı, aşındırıcı sertliktedir. |
| Elmas taklitleri | Fasetli moissanit görsel olarak elmasa benzeyebilir. | Moissanitin daha yüksek dispersiyonu ve farklı optik/elektriksel tepkisi vardır; doğru mücevher testi ikisini ayırt eder. |
Bakım, Kullanım ve Malzeme Hassasiyeti
Silikon karbür kimyasal ve termal olarak dayanıklıdır, ancak farklı formlar farklı muamele gerektirir. Fasetli moissanit olağanüstü takılabilir bir değerli taştır; keskin ve sert olan fırın üretimi karborundum kümeleri küçük taneler dökebilir; dilimler ve ince teknik parçalar bükülürse çatlayabilir.
Fırın üretimi kümeler
Kırılgan noktalardan ziyade sağlam tabanlarından tutun. Gökkuşağı yüzey filmleri aşınabilir, bu yüzden sert ovma ve daha sert malzemelere karşı gevşek saklamadan kaçının.
Mücevher moissanit
Hafif sabun, ılık su ve yumuşak fırça ile temizleyin. Çizilmeye karşı çok dayanıklıdır, ancak ayarlar ve diğer taşlar daha nazik bakım gerektirebilir.
Teknik dilimler
Düz ve bükülme gerilmesinden korunmuş şekilde saklayın. İnce dilimler, malzemenin sertliğine rağmen kenarlarından çatlayabilir.
Toz ve kesme
SiC'yi uygun teknik kontroller dışında öğütmeyin, delmeyin, testereyle kesmeyin veya aşındırmayın. Bitmiş malzeme stabildir; kontrolsüz toz ve keskin parçalar endişe kaynağıdır.
Sıkça Sorulan Sorular
Gökkuşağı karborundum doğal mı?
Hayır. Canlı iridesan karborundum kümeleri fırında üretilmiş silikon karbürdür. Gökkuşağı renkleri genellikle ince yüzey oksit filmlerinden ve optik girişimden kaynaklanır. Doğal moissanit vardır, ancak genellikle mikroskobik veya karasal kayalarda çok küçüktür.
Doğal moissanit nerede bulunur?
Doğal moissanit en çok meteorit materyalinden ve presolar tanelerden bilinir ve ayrıca manto kökenli kayalar, ultramafik ortamlar, metasomatik bölgeler ve çarpışma ile ilişkili ortamlar gibi nadir yüksek indirgen karasal ortamlarda da rapor edilmiştir.
Moissanit ile karborundum arasındaki fark nedir?
Moissanit, silikon karbürün mineral adıdır. Karborundum ise özellikle endüstriyel fırında üretilen aşındırıcı malzeme için sentetik SiC ile ilişkilendirilen tarihsel addır. Fasetli mücevher moissaniti laboratuvarda üretilir ancak yine de silikon karbürdür.
SiC'nin bu kadar çok polimorfa sahip olmasının nedeni nedir?
Silikon-karbon katmanları aynı kimyasal formülü koruyarak birçok tekrarlayan dizilimde üst üste binebilir. Bu dizilim varyasyonları 3C, 4H ve 6H gibi farklı polimorflar yaratır ve her biri kendine özgü kristalografik ve teknik özelliklere sahiptir.
Mücevherlerde hangi polimorf kullanılır?
Değerli moissanit genellikle altıgen SiC polimorflarıyla, özellikle birçok mücevher bağlamında 6H ile ilişkilendirilir. Elektronik waferlar ise güç cihazı performansı nedeniyle genellikle 4H-SiC'yi vurgular.
SiC elektroniklerde neden önemlidir?
Silikon karbür geniş bir bant aralığına, yüksek termal kararlılığa, yüksek kırılma dayanımına ve güçlü termal iletkenliğe sahiptir. Bu özellikler onu güç elektroniği, elektrikli araçlar, yüksek sıcaklık cihazları ve şebeke ile ilgili teknolojiler için değerli kılar.
Fırında büyütülmüş SiC nasıl doğru tanımlanabilir?
Doğrudan malzeme dili kullanın: sentetik silikon karbür, Acheson yöntemiyle üretilmiş karborundum veya fırında büyütülmüş SiC. Eğer gökkuşağı renkleri varsa, bunları doğal köken kanıtı olarak değil, iridesan oksit film renkleri olarak tanımlayın.