Polimorfy węglika krzemu

Wiele materiałów złożonych wykazuje polimorfizm , to znaczy mogą występować w różnych strukturach zwanych polimorfami. Węglik krzemu (SiC) jest pod tym względem wyjątkowy, ponieważ do 2006 r. zidentyfikowano ponad 250 polimorfów węglika krzemu , a niektóre z nich miały stałą sieciową sięgającą 301,5 nm, czyli około tysiąc razy większą niż zwykłe odstępy między siatkami SiC.

Polimorfy SiC obejmują różne fazy amorficzne obserwowane w cienkich warstwach i włóknach, a także dużą rodzinę podobnych struktur krystalicznych zwanych politypami . Są to odmiany tego samego związku chemicznego które są identyczne w dwóch wymiarach i różnią się w trzecim. Można je zatem postrzegać jako warstwy ułożone w określonej kolejności. Atomy tych warstw można ułożyć w trzech konfiguracjach: A, B lub C, aby uzyskać jak największe upakowanie. Kolejność układania tych konfiguracji określa strukturę krystaliczną, gdzie komórka elementarna jest najkrótszą, okresowo powtarzaną sekwencją sekwencji układania. Opis ten nie dotyczy wyłącznie SiC, ale dotyczy także innych binarnych materiałów czworościennych, takich jak tlenek cynku i siarczek kadmu .

Kategoryzacja politypów

Twist in SiC polytypes.jpg

Opracowano skrót umożliwiający skatalogowanie ogromnej liczby możliwych struktur kryształów wielotypowych: Zdefiniujmy trzy struktury dwuwarstwowe SiC (tj. 3 atomy z dwoma wiązaniami pomiędzy nimi na ilustracjach poniżej) i oznaczmy je jako A, B i C. Elementy A i B nie zmieniają orientacji dwuwarstwy (z wyjątkiem możliwego obrotu o 120°, który nie zmienia sieci i jest w dalszej części ignorowany); jedyną różnicą między A i B jest przesunięcie sieci. Element C natomiast skręca siatkę o 60°.

  • Struktura głównych politypów SiC.
  • 2H-SiC

    2H-SiC

  • 4H-SiC

    4H-SiC

  • 6H-SiC

    6H-SiC

Struktura 3C

Używając tych elementów A, B, C, możemy skonstruować dowolny polityp SiC. Powyżej pokazano przykłady sześciokątnych politypów 2H, 4H i 6H, które można zapisać w Ramsdella , gdzie liczba wskazuje warstwę, a litera wskazuje sieć Bravais. Struktura 2H-SiC jest równoważna strukturze wurcytu i składa się tylko z pierwiastków A i B ułożonych w stos ABABAB. Ogniwo elementarne 4H-SiC jest dwa razy dłuższe, a druga połowa jest skręcona w porównaniu z 2H-SiC, co skutkuje układaniem ABCB. Ogniwo 6H-SiC jest trzy razy dłuższe niż ogniwo 2H, a kolejność układania to ABCACB. Sześcienny 3C-SiC, zwany także β-SiC, ma ułożenie ABC.

Właściwości fizyczne

Główny artykuł: węglik krzemu

Różne politypy mają szeroko zakrojone właściwości fizyczne. 3C-SiC ma najwyższą ruchliwość elektronów i prędkość nasycenia ze względu na zmniejszone rozpraszanie fononów wynikające z wyższej symetrii . Przerwy wzbronione różnią się znacznie pomiędzy politypami i wahają się od 2,3 eV dla 3C-SiC do 3 eV w 6H SiC do 3,3 eV dla 2H-SiC. Ogólnie rzecz biorąc, im większy składnik wurcytu, tym większa przerwa wzbroniona. Spośród politypów SiC, 6H jest najłatwiejszy do przygotowania i najlepiej zbadany, podczas gdy politypy 3C i 4H przyciągają większą uwagę ze względu na swoje doskonałe właściwości elektroniczne. Politypizm SiC sprawia, że ​​hodowanie materiału jednofazowego nie jest trywialne, ale oferuje również pewne potencjalne korzyści - jeśli uda się wystarczająco opracować metody wzrostu kryształów heterozłącza różnych politypów SiC można przygotować i zastosować w urządzeniach elektronicznych.

Podsumowanie politypów

Wszystkie symbole w strukturach SiC mają określone znaczenie: Liczba 3 w 3C-SiC odnosi się do trójwarstwowej okresowości układania (ABC), a litera C oznacza sześcienną symetrię kryształu. 3C-SiC jest jedynym możliwym politypem sześciennym. Sekwencja ułożenia wurcytu ABAB... jest oznaczona jako 2H-SiC, co wskazuje na jego dwuwarstwową okresowość ułożenia i heksagonalną symetrię. Ta okresowość podwaja się i potraja w politypach 4H i 6H-SiC. Rodzina romboedrycznych jest oznaczona jako R, na przykład 15R-SiC.

Właściwości głównych politypów SiC „Z” to liczba atomów w komórce elementarnej, „SgNo” to numer grupy przestrzennej, a i c to stałe sieci
Polityp Grupa kosmiczna Z Symbol Pearsona Nr Sg a ( Å ) do ( Å )
Pasmo wzbronione ( eV ) 		Sześciokątność (%)
3C T2d - F43m _ 2 cF8 216 4,3596 4,3596 2.3 0
2H C 4 6v -P6 3 mc 4 hP4 186 3,0730 5.0480 3.3 100
4H C 4 6v -P6 3 mc 8 HP8 186 3,0730 10.053 3.2 50
6H C 4 6v -P6 3 mc 12 hP12 186 3,0730 15.11 3.0 33.3
8H C 4 6v -P6 3 mc 16 hP16 186 3,0730 20.147 2,86 25
10H P3m1 10 HP20 156 3,0730 25.184 2.8 20
19H P3m1 19 HP38 156 3,0730 47,8495
21H P3m1 21 HP42 156 3,0730 52,87
27H P3m1 27 HP54 156 3,0730 67,996
36H P3m1 36 HP72 156 3,0730 90,65
9R nie znaleziono 9 hR18 160 3.073 66,6
15R C 5 3v -R3m 15 hR30 160 3.073 37,7 3.0 40
21R C 5 3v -R3m 21 hR42 160 3.073 52,89 2,85 28,5
24R C 5 3v -R3m 24 hR48 160 3.073 60,49 2,73 25
27R C 5 3v -R3m 27 hR54 160 3.073 67,996 2,73 44
33R C 5 3v -R3m 33 hR66 160 3.073 83.11 36.3
45R C 5 3v -R3m 45 hR90 160 3.073 113,33 40
51R C 5 3v -R3m 51 hR102 160 3.073 128.437 35.3
57R C 5 3v -R3m 57 hR114 160 3.073 143.526
66R C 5 3v -R3m 66 hR132 160 3.073 166.188 36,4
75R C 5 3v -R3m 75 hR150 160 3.073 188,88
84R C 5 3v -R3m 84 hR168 160 3.073 211.544
87R C 5 3v -R3m 87 hR174 160 3.073 219.1
93R C 5 3v -R3m 93 hR186 160 3.073 234.17
105R C 5 3v -R3m 105 hR210 160 3.073 264,39
111R C 5 3v -R3m 111 hR222 160 3.073 279,5
120R C 5 3v -R3m 120 hR240 160 3.073 302.4
141R C 5 3v -R3m 141 hR282 160 3.073 355.049
189R C 5 3v -R3m 189 hR378 160 3.073 476,28
393R C 5 3v -R3m 393 hR786 160 3.073 987,60

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Źródło: „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Polymorphs_of_silicon_carbide&oldid=1138792174 ”