El carburo de silicio ( SiC ), también conocido como carborundo ( / ˌ k ɑːr b ə ˈ r ʌ n d əm / ), es un compuesto químico duro que contiene silicio y carbono . Es un semiconductor que se encuentra en la naturaleza como un mineral extremadamente raro, moissanita , pero se ha producido en masa en forma de polvo y cristal desde 1893 para su uso como abrasivo . Los granos de carburo de silicio se pueden unir mediante sinterización para formar cerámicas muy duras que se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren alta resistencia, como frenos de automóviles, embragues de automóviles y placas cerámicas en chalecos antibalas . Con el método Lely se pueden cultivar grandes monocristales de carburo de silicio y cortarlos en gemas conocidas como moissanita sintética.
Las aplicaciones electrónicas del carburo de silicio, como los diodos emisores de luz (LED) y los detectores en las primeras radios, se demostraron por primera vez alrededor de 1907. El SiC se utiliza en dispositivos electrónicos semiconductores que funcionan a altas temperaturas o altos voltajes, o ambos.
La moissanita natural se encuentra sólo en cantidades mínimas en ciertos tipos de meteoritos , depósitos de corindón y kimberlita . Prácticamente todo el carburo de silicio que se vende en el mundo, incluidas las joyas de moissanita, es sintético .
La moissanita natural fue encontrada por primera vez en 1893 como un pequeño componente del meteorito Canyon Diablo en Arizona por Ferdinand Henri Moissan , de quien el material recibió su nombre en 1905. [7] El descubrimiento de Moissan de SiC natural fue inicialmente cuestionado porque su muestra pudo haber sido contaminados por hojas de sierra de carburo de silicio que ya se encontraban en el mercado en aquel momento. [8]
Si bien es raro en la Tierra, el carburo de silicio es notablemente común en el espacio. Es una forma común de polvo de estrellas que se encuentra alrededor de estrellas ricas en carbono , y se han encontrado ejemplos de este polvo de estrellas en condiciones prístinas en meteoritos primitivos (inalterados). El carburo de silicio que se encuentra en el espacio y en los meteoritos es casi exclusivamente el polimorfo beta . El análisis de los granos de SiC encontrados en el meteorito Murchison , un meteorito de condrita carbonosa , ha revelado proporciones isotópicas anómalas de carbono y silicio, lo que indica que estos granos se originaron fuera del sistema solar. [9]
Las síntesis de carburo de silicio no sistemáticas, menos reconocidas y a menudo no verificadas incluyen:
La producción a gran escala se atribuye a Edward Goodrich Acheson en 1891. [11] Acheson intentaba preparar diamantes artificiales cuando calentó una mezcla de arcilla (silicato de aluminio) y coque en polvo (carbono) en un recipiente de hierro. Llamó carborundo a los cristales azules que formaban , creyendo que se trataba de un nuevo compuesto de carbono y aluminio, similar al corindón . Moissan también sintetizó SiC por varias rutas, incluida la disolución de carbono en silicio fundido, fundiendo una mezcla de carburo de calcio y sílice y reduciendo la sílice con carbono en un horno eléctrico.
Acheson patentó el método para fabricar polvo de carburo de silicio el 28 de febrero de 1893. [12] Acheson también desarrolló el horno eléctrico discontinuo mediante el cual todavía se fabrica SiC en la actualidad y formó la Carborundum Company para fabricar SiC a granel, inicialmente para su uso como abrasivo. [13] En 1900, la empresa llegó a un acuerdo con Electric Smelting and Aluminium Company cuando la decisión de un juez dio "prioridad amplia" a sus fundadores "para reducir minerales y otras sustancias mediante el método incandescente". [14]
El primer uso del SiC fue como abrasivo. A esto le siguieron las solicitudes electrónicas. A principios del siglo XX se utilizó carburo de silicio como detector en las primeras radios. [15] En 1907, Henry Joseph Round produjo el primer LED aplicando un voltaje a un cristal de SiC y observando emisiones amarillas, verdes y naranjas en el cátodo. El efecto fue redescubierto posteriormente por OV Losev en la Unión Soviética en 1923. [16]
Debido a que la moissanita natural es extremadamente escasa, la mayor parte del carburo de silicio es sintético. El carburo de silicio se utiliza como abrasivo, así como como semiconductor y simulante de diamante con calidad de gema. El proceso más sencillo para fabricar carburo de silicio es combinar arena de sílice y carbono en un horno de resistencia eléctrica de grafito Acheson a alta temperatura, entre 1.600 °C (2.910 °F) y 2.500 °C (4.530 °F). Las partículas finas de SiO 2 del material vegetal (por ejemplo, cáscaras de arroz) se pueden convertir en SiC calentando el exceso de carbono del material orgánico. [17] El humo de sílice , que es un subproducto de la producción de silicio metálico y aleaciones de ferrosilicio, también se puede convertir en SiC calentándolo con grafito a 1500 °C (2730 °F). [18]
El material formado en el horno Acheson varía en pureza, según su distancia a la fuente de calor de la resistencia de grafito . Los cristales incoloros, de color amarillo pálido y verde tienen la mayor pureza y se encuentran más cerca de la resistencia. El color cambia a azul y negro a mayor distancia de la resistencia, y estos cristales más oscuros son menos puros. El nitrógeno y el aluminio son impurezas comunes y afectan la conductividad eléctrica del SiC. [19]
El carburo de silicio puro se puede fabricar mediante el proceso Lely , [20] en el que el polvo de SiC se sublima en especies de alta temperatura de silicio, carbono, dicarburo de silicio (SiC 2 ) y carburo de disilicio (Si 2 C) en una atmósfera de gas argón . a 2500 °C y redepositado en monocristales en forma de escamas, [21] de tamaño hasta 2 × 2 cm, en un sustrato ligeramente más frío. Este proceso produce monocristales de alta calidad, principalmente de fase 6H-SiC (debido a la alta temperatura de crecimiento).
Un proceso Lely modificado que implica calentamiento por inducción en crisoles de grafito produce monocristales aún más grandes, de 4 pulgadas (10 cm) de diámetro, con una sección 81 veces mayor en comparación con el proceso Lely convencional. [22]
El SiC cúbico generalmente se cultiva mediante el proceso más costoso de deposición química de vapor (CVD) de silano, hidrógeno y nitrógeno. [19] [23] Las capas de SiC homoepitaxiales y heteroepitaxiales se pueden cultivar empleando enfoques en fase líquida y gaseosa. [24]
Para formar SiC de forma compleja, se pueden utilizar polímeros precerámicos como precursores que forman el producto cerámico mediante pirólisis a temperaturas en el rango de 1000 a 1100 °C. [25] Los materiales precursores para obtener carburo de silicio de esta manera incluyen policarbosilanos, poli(metilsilina) y polisilazanos. [26] Los materiales de carburo de silicio obtenidos mediante la pirólisis de polímeros precerámicos se conocen como cerámicas derivadas de polímeros o PDC. La pirólisis de polímeros precerámicos se realiza con mayor frecuencia bajo una atmósfera inerte a temperaturas relativamente bajas. En relación con el proceso CVD, el método de pirólisis es ventajoso porque el polímero puede adoptar varias formas antes de la termalización en la cerámica. [27] [28] [29] [30]
El SiC también se puede convertir en obleas cortando un solo cristal con una sierra de hilo de diamante o con un láser. SiC es un semiconductor útil utilizado en electrónica de potencia. [31]
El carburo de silicio existe en aproximadamente 250 formas cristalinas. [32] A través de la pirólisis atmosférica inerte de polímeros precerámicos , también se produce carburo de silicio en una forma amorfa vítrea. [33] El polimorfismo del SiC se caracteriza por una gran familia de estructuras cristalinas similares llamadas politipos. Son variaciones de un mismo compuesto químico que son idénticas en dos dimensiones y difieren en la tercera. Por lo tanto, pueden verse como capas apiladas en una secuencia determinada. [34]
El carburo de silicio alfa (α-SiC) es el polimorfo más común , se forma a temperaturas superiores a 1700 °C y tiene una estructura cristalina hexagonal (similar a la wurtzita ). La modificación beta (β-SiC), con una estructura cristalina de blenda de zinc (similar al diamante ), se forma a temperaturas inferiores a 1700 °C. [35] Hasta hace poco, la forma beta ha tenido relativamente pocos usos comerciales, aunque ahora hay un interés creciente en su uso como soporte para catalizadores heterogéneos , debido a su mayor área superficial en comparación con la forma alfa.
El SiC puro es incoloro. El color marrón a negro del producto industrial se debe a las impurezas de hierro . [39] El brillo de los cristales, similar al de un arco iris, se debe a la fina interferencia de una capa de pasivación de dióxido de silicio que se forma en la superficie.
La alta temperatura de sublimación del SiC (aproximadamente 2700 °C) lo hace útil para rodamientos y piezas de hornos. El carburo de silicio no se funde sino que comienza a sublimar cerca de los 2700 °C como el grafito, teniendo una presión de vapor apreciable cerca de esa temperatura. También es muy inerte químicamente, en parte debido a la formación de una fina capa pasivada de SiO2. Actualmente existe mucho interés en su uso como material semiconductor en electrónica, donde su alta conductividad térmica, su alta resistencia a la ruptura del campo eléctrico y su alta densidad de corriente máxima lo hacen más prometedor que el silicio para dispositivos de alta potencia. [40] El SiC tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo de aproximadamente 2,3 × 10 −6 K −1 cerca de 300 K (para 4H y 6H SiC) y no experimenta transiciones de fase en el rango de temperatura de 5 K a 340 K que causarían discontinuidades. en el coeficiente de expansión térmica. [19] [38]
El carburo de silicio es un semiconductor que puede estar dopado de tipo n con nitrógeno o fósforo y de tipo p con berilio , boro , aluminio o galio . [5] La conductividad metálica se ha logrado mediante un fuerte dopaje con boro, aluminio o nitrógeno.
Se ha detectado superconductividad en 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B y 6H-SiC:B a temperaturas similares ~1,5 K. [35] [41] Sin embargo, se observa una diferencia crucial en el comportamiento del campo magnético entre el aluminio y el boro. Dopaje: 3C-SiC:Al es tipo II . Por el contrario, el 3C-SiC:B es de tipo I , al igual que el 6H-SiC:B. Por tanto, las propiedades superconductoras parecen depender más del dopante (B frente a Al) que del politipo (3C- frente a 6H-). En un intento de explicar esta dependencia, se observó que B sustituye en los sitios C en SiC, pero Al sustituye en los sitios Si. Por tanto, Al y B "ven" entornos diferentes, en ambos politipos. [42]
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En las artes, el carburo de silicio es un abrasivo popular en la lapidaria moderna debido a la durabilidad y el bajo costo del material. En la fabricación, se utiliza por su dureza en procesos de mecanizado abrasivo como rectificado , bruñido , corte con chorro de agua y chorro de arena . El SiC proporciona una alternativa mucho más nítida y dura para el chorro de arena en comparación con el óxido de aluminio . Se laminan partículas de carburo de silicio sobre papel para crear papeles de lija y cinta adhesiva para patinetas . [43]
En 1982 se descubrió un compuesto excepcionalmente resistente de óxido de aluminio y bigotes de carburo de silicio. El desarrollo de este compuesto producido en laboratorio hasta convertirlo en un producto comercial tomó sólo tres años. En 1985, se introdujeron en el mercado las primeras herramientas de corte comerciales fabricadas con este compuesto reforzado con bigotes de alúmina y carburo de silicio. [44]
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En las décadas de 1980 y 1990, el carburo de silicio se estudió en varios programas de investigación para turbinas de gas de alta temperatura en Europa , Japón y Estados Unidos . Los componentes estaban destinados a reemplazar las palas de las turbinas o las paletas de las boquillas de superaleación de níquel . [45] Sin embargo, ninguno de estos proyectos resultó en una cantidad de producción, principalmente debido a su baja resistencia al impacto y su baja tenacidad a la fractura . [46]
Al igual que otras cerámicas duras (en particular, alúmina y carburo de boro ), el carburo de silicio se utiliza en armaduras compuestas (por ejemplo, armadura Chobham ) y en placas cerámicas en chalecos antibalas. Dragon Skin , que fue producido por Pinnacle Armor , utilizó discos de carburo de silicio. [47] La mejora de la tenacidad a la fractura en la armadura de SiC puede facilitarse mediante el fenómeno de crecimiento anormal del grano o AGG. El crecimiento de granos de carburo de silicio anormalmente largos puede servir para impartir un efecto de endurecimiento a través de puentes entre fisuras y estelas, similar al refuerzo de bigotes. Se han informado efectos de endurecimiento AGG similares en el nitruro de silicio (Si 3 N 4 ). [48]
El carburo de silicio se utiliza como material de soporte y estantería en hornos de alta temperatura, como para cocer cerámica, fusionar vidrio o fundir vidrio. Los estantes del horno de SiC son considerablemente más livianos y duraderos que los estantes de alúmina tradicionales. [49]
En diciembre de 2015, se mencionó la infusión de nanopartículas de carburo de silicio en magnesio fundido como una forma de producir una nueva aleación plástica resistente adecuada para su uso en aeronáutica, aeroespacial, automóvil y microelectrónica. [50]
El compuesto de carbono-carbono infiltrado con silicio se utiliza para los discos de freno "cerámicos" de alto rendimiento , ya que son capaces de soportar temperaturas extremas. El silicio reacciona con el grafito en el compuesto carbono-carbono para convertirse en carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (C/SiC). Estos discos de freno se utilizan en algunos autos deportivos de carretera, superdeportivos y otros autos de alto rendimiento, incluidos el Porsche Carrera GT , el Bugatti Veyron , el Chevrolet Corvette ZR1 , el McLaren P1 , [51] Bentley , Ferrari , Lamborghini y algunos Coches Audi específicos de altas prestaciones . El carburo de silicio también se utiliza en forma sinterizada para filtros de partículas diésel . [52] También se utiliza como aditivo de aceite [ dudoso ] [ se necesita aclaración ] para reducir la fricción, las emisiones y los armónicos. [53] [54]
El SiC se utiliza en crisoles para contener metal fundido en aplicaciones de fundición pequeñas y grandes. [55] [56]
La primera aplicación eléctrica del SiC fue como protección contra sobretensiones en pararrayos en sistemas de energía eléctrica. Estos dispositivos deben exhibir una alta resistencia hasta que el voltaje a través de ellos alcance un cierto umbral VT, momento en el cual su resistencia debe caer a un nivel más bajo y mantener este nivel hasta que el voltaje aplicado caiga por debajo de VT, descargando corriente al suelo. [57]
Fue reconocido desde el principio [ ¿cuándo? ] que el SiC tenía una resistencia dependiente del voltaje, por lo que se conectaron columnas de pastillas de SiC entre líneas eléctricas de alto voltaje y la tierra. Cuando un rayo cae sobre la línea aumenta el voltaje de la línea lo suficiente, la columna de SiC conducirá, permitiendo que la corriente del impacto pase sin causar daño a la tierra en lugar de a lo largo de la línea eléctrica. Las columnas de SiC demostraron conducir significativamente a voltajes operativos normales de líneas eléctricas y, por lo tanto, tuvieron que colocarse en serie con un descargador de chispas . Esta vía de chispa se ioniza y se vuelve conductora cuando un rayo aumenta el voltaje del conductor de la línea eléctrica, conectando así efectivamente la columna de SiC entre el conductor de energía y la tierra. Las vías de chispas utilizadas en los pararrayos no son confiables, ya sea que no generan un arco cuando es necesario o no se apagan después, en el último caso debido a fallas del material o contaminación por polvo o sal. El uso de columnas de SiC tenía como objetivo original eliminar la necesidad de un explosor en los pararrayos. Los pararrayos de SiC con espacios se utilizaron para protección contra rayos y se vendieron bajo las marcas GE y Westinghouse , entre otras. El pararrayos de SiC con espacios ha sido desplazado en gran medida por varistores sin espacios que utilizan columnas de bolitas de óxido de zinc . [58]
El carburo de silicio fue el primer material semiconductor comercialmente importante. Henry Harrison Chase Dunwoody patentó en 1906 un diodo detector de radio de cristal "carborundo" (carburo de silicio sintético) . Encontró un uso muy temprano en receptores a bordo de barcos.
En 1993, el carburo de silicio se consideró un semiconductor tanto en la investigación como en la producción en masa inicial , proporcionando ventajas para dispositivos rápidos, de alta temperatura y/o alto voltaje. Los primeros dispositivos disponibles fueron los diodos Schottky , seguidos por los FET de puerta de unión y los MOSFET para conmutación de alta potencia. Se describieron transistores bipolares y tiristores . [40]
Un problema importante para la comercialización del SiC ha sido la eliminación de defectos: dislocaciones de borde, dislocaciones de tornillo (tanto de núcleo hueco como cerrado), defectos triangulares y dislocaciones del plano basal. [59] Como resultado, los dispositivos hechos de cristales de SiC inicialmente mostraron un rendimiento deficiente de bloqueo inverso, aunque los investigadores han estado encontrando tentativamente soluciones para mejorar el rendimiento de ruptura. [60] Además de la calidad del cristal, los problemas con la interfaz del SiC con el dióxido de silicio han obstaculizado el desarrollo de MOSFET de potencia basados en SiC y transistores bipolares de puerta aislada . Aunque el mecanismo aún no está claro, la nitruración ha reducido drásticamente los defectos que causan los problemas de la interfaz. [61]
En 2008, se introdujeron en el mercado los primeros JFET comerciales con capacidad de 1200 V, [62] seguidos en 2011 por los primeros MOSFET comerciales con capacidad de 1200 V. Ahora hay disponibles JFET con capacidad de 650 V a 1700 V con una resistencia tan baja como 25 mΩ . Además de los interruptores de SiC y los diodos Schottky de SiC (también diodos de barrera Schottky, SBD ) en los populares encapsulados TO-247 y TO-220 , las empresas comenzaron incluso antes a implementar chips desnudos en sus módulos electrónicos de potencia .
Los diodos SiC SBD encontraron una amplia distribución en el mercado y se utilizan en circuitos PFC y módulos de potencia IGBT . [63] Conferencias como la Conferencia Internacional sobre Sistemas Integrados de Electrónica de Potencia (CIPS) informan periódicamente sobre el progreso tecnológico de los dispositivos de potencia de SiC. Los principales desafíos para aprovechar plenamente las capacidades de los dispositivos de potencia de SiC son:
A partir del Tesla Model 3, los inversores de la unidad motriz utilizan 24 pares de chips MOSFET de carburo de silicio (SiC) con capacidad para 650 voltios cada uno. En este caso, el carburo de silicio dio a Tesla una ventaja significativa sobre los chips de silicio en términos de tamaño y peso. Varios fabricantes de automóviles están planeando incorporar carburo de silicio en los dispositivos electrónicos de potencia de sus productos. Se proyecta un aumento significativo en la producción de carburo de silicio, comenzando con una gran planta inaugurada en 2022 por Wolfspeed en el norte del estado de Nueva York. [66] [67]
El fenómeno de la electroluminiscencia se descubrió en 1907 utilizando carburo de silicio y los primeros LED comerciales se basaron en SiC. Los LED amarillos hechos de 3C-SiC se fabricaron en la Unión Soviética en la década de 1970 [68] y los LED azules (6H-SiC) en todo el mundo en la década de 1980. [69]
La producción de LED de carburo pronto se detuvo cuando un material diferente, el nitruro de galio , mostró una emisión entre 10 y 100 veces más brillante. Esta diferencia de eficiencia se debe a la banda prohibida indirecta desfavorable del SiC, mientras que el GaN tiene una banda prohibida directa que favorece la emisión de luz. Sin embargo, el SiC sigue siendo uno de los componentes LED importantes: es un sustrato popular para el cultivo de dispositivos GaN y también sirve como disipador de calor en LED de alta potencia. [69]
El bajo coeficiente de expansión térmica, [38] la alta dureza, rigidez y conductividad térmica hacen del carburo de silicio un material de espejo deseable para telescopios astronómicos . La tecnología de crecimiento ( deposición química de vapor ) se ha ampliado para producir discos de carburo de silicio policristalino de hasta 3,5 m (11 pies) de diámetro, y varios telescopios como el Telescopio Espacial Herschel ya están equipados con ópticas de SiC, [70] [71 ] Además, los subsistemas de la nave espacial del observatorio espacial Gaia están montados sobre un marco rígido de carburo de silicio, que proporciona una estructura estable que no se expandirá ni contraerá debido al calor.
Las fibras de carburo de silicio se utilizan para medir la temperatura del gas en una técnica óptica llamada pirometría de filamento fino. Implica la colocación de un filamento fino en una corriente de gas caliente. Las emisiones radiativas del filamento se pueden correlacionar con la temperatura del filamento. Los filamentos son fibras de SiC con un diámetro de 15 micrómetros, aproximadamente una quinta parte del diámetro de un cabello humano. Debido a que las fibras son tan delgadas, hacen poco para alterar la llama y su temperatura se mantiene cercana a la del gas local. Se pueden medir temperaturas de aproximadamente 800 a 2500 K. [72] [73]
Existen referencias a elementos calefactores de carburo de silicio desde principios del siglo XX, cuando fueron producidos por Acheson's Carborundum Co. en EE. UU. y EKL en Berlín. El carburo de silicio ofrecía mayores temperaturas de funcionamiento en comparación con los calentadores metálicos. Los elementos de carburo de silicio se utilizan hoy en día en la fusión de vidrio y metales no ferrosos, el tratamiento térmico de metales, la producción de vidrio flotado , la producción de componentes cerámicos y electrónicos, encendedores en luces piloto para calentadores de gas, etc. [74]
La capa exterior de protección térmica del escudo térmico inflable LOFTID de la NASA incorpora una cerámica tejida hecha de carburo de silicio, con fibra de un diámetro tan pequeño que se puede agrupar e hilar en un hilo. [75]
El carburo de silicio es un material importante en las partículas de combustible recubiertas de TRISO , el tipo de combustible nuclear que se encuentra en los reactores refrigerados por gas de alta temperatura , como el reactor de lecho de guijarros . Una capa de carburo de silicio proporciona soporte estructural a las partículas de combustible recubiertas y es la principal barrera de difusión para la liberación de productos de fisión. [76]
Se ha investigado el uso del material compuesto de carburo de silicio como sustituto del revestimiento de Zircaloy en reactores de agua ligera . Una de las razones de esta investigación es que Zircaloy experimenta fragilización por hidrógeno como consecuencia de la reacción de corrosión con el agua. Esto produce una reducción en la tenacidad a la fractura al aumentar la fracción volumétrica de hidruros radiales. Este fenómeno aumenta drásticamente al aumentar la temperatura en detrimento del material. [77] El revestimiento de carburo de silicio no experimenta la misma degradación mecánica, sino que conserva las propiedades de resistencia al aumentar la temperatura. El compuesto consta de fibras de SiC envueltas alrededor de una capa interior de SiC y rodeadas por una capa exterior de SiC. [78] Se han informado problemas con la capacidad de unir las piezas del compuesto de SiC. [79]
Como piedra preciosa utilizada en joyería , el carburo de silicio se llama "moissanita sintética" o simplemente "moissanita" por el nombre del mineral. La moissanita es similar al diamante en varios aspectos importantes: es transparente y dura (9-9,5 en la escala de Mohs , frente a 10 del diamante), con un índice de refracción de entre 2,65 y 2,69 (frente a 2,42 del diamante). La moissanita es algo más dura que la circonita cúbica común . A diferencia del diamante, la moissanita puede ser fuertemente birrefringente . Por este motivo, las joyas de moissanita se tallan a lo largo del eje óptico del cristal para minimizar los efectos birrefringentes. Es más ligero (densidad 3,21 g/cm 3 frente a 3,53 g/cm 3 ) y mucho más resistente al calor que el diamante. Esto da como resultado una piedra de mayor brillo , facetas más nítidas y buena resistencia. Las piedras de moissanita sueltas se pueden colocar directamente en moldes de anillos de cera para fundición a la cera perdida, al igual que el diamante, [80] ya que la moissanita permanece intacta a temperaturas de hasta 1800 °C (3270 °F). La moissanita se ha vuelto popular como sustituto del diamante y puede identificarse erróneamente como diamante, ya que su conductividad térmica es más cercana a la del diamante que la de cualquier otro sustituto. Muchos dispositivos térmicos de prueba de diamantes no pueden distinguir la moissanita del diamante, pero la gema se distingue por su birrefringencia y una muy leve fluorescencia verde o amarilla bajo la luz ultravioleta. Algunas piedras moissanita también tienen inclusiones curvas en forma de cuerdas, que los diamantes nunca tienen. [81]
El carburo de silicio, disuelto en un horno de oxígeno básico utilizado para fabricar acero , actúa como combustible . La energía adicional liberada permite que el horno procese más chatarra con la misma carga de metal caliente. También se puede utilizar para elevar la temperatura del grifo y ajustar el contenido de carbono y silicio. El carburo de silicio es más barato que una combinación de ferrosilicio y carbono, produce acero más limpio y menores emisiones debido a los bajos niveles de oligoelementos , tiene un bajo contenido de gas y no reduce la temperatura del acero. [82]
La resistencia natural a la oxidación exhibida por el carburo de silicio, así como el descubrimiento de nuevas formas de sintetizar la forma cúbica de β-SiC, con su mayor área superficial, ha generado un gran interés en su uso como soporte de catalizador heterogéneo . Esta forma ya se ha empleado como soporte catalítico para la oxidación de hidrocarburos , como el n- butano , a anhídrido maleico . [83] [84]
El carburo de silicio se utiliza en el grabado con carborundo , una técnica de impresión en colagrafía . La arena de carborundo se aplica en forma de pasta a la superficie de una placa de aluminio. Cuando la pasta está seca, se aplica tinta que queda atrapada en su superficie granular y luego se limpia de las áreas desnudas de la plancha. Luego, la placa de tinta se imprime sobre papel en una prensa de lecho rodante utilizada para la impresión calcográfica . El resultado es una impresión de marcas pintadas grabadas en el papel.
La arena de carborundo también se utiliza en litografía en piedra. Su tamaño de partícula uniforme permite utilizarlo para "granear" una piedra que elimina la imagen anterior. En un proceso similar al lijado, se aplica carborundo de grano más grueso a la piedra y se trabaja con un Levigator, generalmente una placa redonda excéntrica en un eje perpendicular, luego se aplica gradualmente un grano cada vez más fino hasta que la piedra esté limpia. Esto crea una superficie sensible a la grasa. [85]
El carburo de silicio se puede utilizar en la producción de grafeno debido a sus propiedades químicas que promueven la producción de grafeno en la superficie de nanoestructuras de SiC.
En lo que respecta a su producción, el silicio se utiliza principalmente como sustrato para hacer crecer el grafeno. Pero en realidad existen varios métodos que se pueden utilizar para hacer crecer el grafeno sobre el carburo de silicio. El método de crecimiento por sublimación controlada por confinamiento (CCS) consiste en un chip de SiC que se calienta al vacío con grafito. Luego, el vacío se libera muy gradualmente para controlar el crecimiento del grafeno. Este método produce capas de grafeno de la más alta calidad. Pero se ha informado que otros métodos también producen el mismo producto.
Otra forma de cultivar grafeno sería descomponer térmicamente SiC a alta temperatura en el vacío. [86] Pero resulta que este método produce capas de grafeno que contienen granos más pequeños dentro de las capas. [87] Por eso se han realizado esfuerzos para mejorar la calidad y el rendimiento del grafeno. Uno de esos métodos consiste en realizar la grafitización ex situ de SiC terminado en silicio en una atmósfera que consiste en argón. Se ha demostrado que este método produce capas de grafeno con tamaños de dominio más grandes que la capa que se podría obtener mediante otros métodos. Este nuevo método puede resultar muy viable para producir grafeno de mayor calidad para multitud de aplicaciones tecnológicas.
Cuando se trata de comprender cómo o cuándo utilizar estos métodos de producción de grafeno, la mayoría de ellos producen o cultivan principalmente este grafeno en SiC dentro de un entorno que permita el crecimiento. Se utiliza con mayor frecuencia a temperaturas bastante más altas (como 1300 °C) debido a las propiedades térmicas del SiC. [88] Sin embargo, se han realizado y estudiado ciertos procedimientos que potencialmente podrían producir métodos que utilicen temperaturas más bajas para ayudar a fabricar grafeno. Más específicamente, se ha observado que este enfoque diferente del crecimiento del grafeno produce grafeno en un entorno de temperatura de alrededor de 750 °C. Este método implica la combinación de ciertos métodos como la deposición química de vapor (CVD) y la segregación superficial. Y en cuanto al sustrato, el procedimiento consistiría en recubrir un sustrato de SiC con finas películas de un metal de transición. Y después del rápido tratamiento térmico de esta sustancia, los átomos de carbono se volverían más abundantes en la interfaz superficial de la película de metal de transición, lo que luego produciría grafeno. Y se descubrió que este proceso producía capas de grafeno que eran más continuas en toda la superficie del sustrato. [89]
El carburo de silicio puede albergar defectos puntuales en la red cristalina que se conocen como centros de color . Estos defectos pueden producir fotones individuales según demanda y, por lo tanto, servir como plataforma para fuentes de fotón único . [90] Un dispositivo de este tipo es un recurso fundamental para muchas aplicaciones emergentes de la ciencia de la información cuántica. Si se bombea un centro de color a través de una fuente óptica externa o corriente eléctrica, el centro de color pasará al estado excitado y luego se relajará con la emisión de un fotón. [91] [92]
Un defecto puntual bien conocido en el carburo de silicio es la divacancia, que tiene una estructura electrónica similar a la del centro de nitrógeno vacante del diamante. En 4H-SiC, la divacancia tiene cuatro configuraciones diferentes que corresponden a cuatro líneas de fonón cero (ZPL). Estos valores ZPL se escriben utilizando la notación V Si -V C y la unidad eV: hh(1,095), kk(1,096), kh(1,119) y hk(1,150). [93]
El carburo de silicio se utiliza en la fabricación de guías de pesca por su durabilidad y resistencia al desgaste. [94] Los anillos de carburo de silicio se encajan en un marco guía, generalmente hecho de acero inoxidable o titanio, que evita que la línea toque la varilla en bruto. Los anillos proporcionan una superficie de baja fricción que mejora la distancia de lanzamiento y al mismo tiempo proporcionan una dureza adecuada que evita la abrasión del hilo de pescar trenzado. [95]
El carburo de silicio se utiliza como ingrediente crudo en algunos esmaltes aplicados a la cerámica. A altas temperaturas puede reducir los óxidos metálicos formando sílice y dióxido de carbono. Esto se puede usar para hacer que el esmalte forme espuma y cráter debido al gas de dióxido de carbono desprendido, o para reducir los óxidos colorantes y lograr colores como los rojos cobrizos , que de otro modo solo serían posibles en una cocción de reducción impulsada por combustible en un horno eléctrico. [96]
módulo de potencia de SiC completo, en su Modelo 3. ... STMicroelectronics ... Inversor Tesla ... 24 módulos de potencia 1 en 1 ... el módulo contiene dos
MOSFET
de SiC
