carburo de silicio

Entre las síntesis de carburo de silicio no sistemáticas, menos reconocidas y a menudo no verificadas se incluyen:

• César-Mansuète Despretz haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una varilla de carbono incrustada en arena (1849)
• Disolución de sílice en plata fundida en un crisol de grafito por Robert Sydney Marsden (1881)
• Calentamiento de una mezcla de silicio y sílice en un crisol de grafito por Paul Schuetzenberger (1881)
• Calentamiento de silicio bajo una corriente de etileno por Albert Colson (1882). ^{[ 10 ]}

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 a los cristales azules que se formaron carborundo , creyendo que era un nuevo compuesto de carbono y aluminio, similar al corindón . Henri Moissan también sintetizó SiC por varias rutas, incluyendo la disolución de carbono en silicio fundido, la fusión de una mezcla de carburo de calcio y sílice, y la reducción de 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 con el que todavía se fabrica SiC en la actualidad y fundó la Carborundum Company para fabricar SiC a granel, inicialmente para su uso como abrasivo. ^{[ 13 ]} En 1900, la compañía llegó a un acuerdo con la Electric Smelting and Aluminum Company cuando la decisión de un juez otorgó "prioridad amplia" a sus fundadores "para la reducción de minerales y otras sustancias mediante el método incandescente". ^{[ 14 ]}

El primer uso del SiC fue como abrasivo. Posteriormente se le aplicaron aplicaciones electrónicas. A principios del siglo XX, el carburo de silicio se utilizó 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 la emisión amarilla, verde y naranja en el cátodo. El efecto fue redescubierto más tarde por OV Losev en la Unión Soviética , en 1923. ^{[ 16 ]}

El carburo de silicio es un semiconductor que puede ser dopado de tipo n con nitrógeno o fósforo y de tipo p con berilio , boro , aluminio o galio . ^{[ 5 ]} Se ha logrado conductividad metálica mediante un dopaje intenso con boro, aluminio o nitrógeno.

Se ha detectado superconductividad en 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B y 6H-SiC:B a temperaturas similares de ~1,5 K. ^{[ 36 ] [ 42 ]} Sin embargo, se observa una diferencia crucial en el comportamiento del campo magnético entre el dopaje con aluminio y boro: 3C-SiC:Al es de tipo II . En contraste, 3C-SiC:B es de tipo I , al igual que 6H-SiC:B. Por lo tanto, las propiedades superconductoras parecen depender más del dopante (B frente a Al) que del politipo (3C- frente a 6H-). En un intento por explicar esta dependencia, se observó que B sustituye en los sitios C en SiC, pero Al sustituye en los sitios Si. Por lo tanto, Al y B "ven" entornos diferentes en ambos politipos. ^{[ 43 ]}

En la fabricación, se utiliza por su dureza en procesos de mecanizado abrasivo como el rectificado , el bruñido , el corte por chorro de agua y el arenado . El SiC proporciona una alternativa mucho más afilada y dura para el arenado en comparación con el óxido de aluminio . Las partículas de carburo de silicio se laminan sobre papel para crear lijas y la cinta antideslizante de las patinetas . ^{[ 44 ]}

En el ámbito artístico, el carburo de silicio es un abrasivo muy utilizado en la lapidaria moderna debido a la durabilidad y el bajo coste del material.

En 1982, se descubrió un compuesto excepcionalmente resistente de óxido de aluminio y microfibras de carburo de silicio . El desarrollo de este compuesto, producido en laboratorio, hasta convertirlo en un producto comercial solo tomó tres años. En 1985, se introdujeron en el mercado las primeras herramientas de corte comerciales fabricadas con este compuesto reforzado con microfibras de alúmina y carburo de silicio. ^{[ 45 ]}

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 turbina o los álabes de tobera de superaleación de níquel . ^{[ 46 ]} Sin embargo, ninguno de estos proyectos llegó a producirse en serie, principalmente debido a su baja resistencia al impacto y su baja tenacidad a la fractura . ^{[ 47 ]}

Al igual que otras cerámicas duras (como la alúmina y el carburo de boro ), el carburo de silicio se utiliza en armaduras compuestas (por ejemplo, la armadura Chobham ) y en placas cerámicas de chalecos antibalas. Dragon Skin , fabricada por Pinnacle Armor , utilizaba discos de carburo de silicio. ^{[ 48 ]} La mejora de la tenacidad a la fractura en las armaduras de SiC puede facilitarse mediante el fenómeno del crecimiento anormal de grano (AGG). El crecimiento de granos de carburo de silicio anormalmente largos puede proporcionar un efecto de endurecimiento mediante el puenteo de estelas de grietas, similar al refuerzo por filamentos. Se han descrito efectos de endurecimiento por AGG similares en el nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ). ^{[ 49 ]}

El carburo de silicio se utiliza como material de soporte y estantes en hornos de alta temperatura, como los que se emplean para la cocción de cerámica, la fusión de vidrio o la fundición de vidrio. Los estantes de horno de SiC son considerablemente más ligeros y duraderos que los estantes de alúmina tradicionales. ^{[ 50 ]}

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 fuerte y plástica adecuada para su uso en aeronáutica, aeroespacial, automoción y microelectrónica. ^{[ 51 ]}

El compuesto de carbono-carbono infiltrado con silicio se utiliza para discos de freno "cerámicos" de alto rendimiento , ya que pueden soportar temperaturas extremas. El silicio reacciona con el grafito en el compuesto de carbono-carbono para convertirse en carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (C/SiC). Estos discos de freno se utilizan en algunos coches deportivos de carretera, superdeportivos, así como en otros coches de alto rendimiento, incluidos el Porsche Carrera GT , el Bugatti Veyron , el Chevrolet Corvette ZR1 , el McLaren P1 , ^{[ 52 ]} Bentley , Ferrari , Lamborghini y algunos coches Audi de alto rendimiento específicos . El carburo de silicio también se utiliza en forma sinterizada para filtros de partículas diésel . ^{[ 53 ]} También se utiliza como aditivo de aceite para reducir la fricción, las emisiones y los armónicos. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

La primera aplicación eléctrica del SiC fue como protección contra sobretensiones en pararrayos de sistemas de energía eléctrica. Estos dispositivos deben presentar una alta resistencia hasta que la tensión aplicada alcance un cierto umbral V _T, momento en el que su resistencia debe disminuir y mantenerse hasta que la tensión aplicada caiga por debajo de V _T , descargando la corriente a tierra. ^{[ 58 ]}

Desde un principio se reconoció que el SiC tenía una resistencia dependiente del voltaje , por lo que se conectaron columnas de pastillas de SiC entre las líneas eléctricas de alta tensión y la tierra. Cuando un rayo eleva el voltaje de la línea lo suficiente, la columna de SiC conduce, permitiendo que la corriente del rayo pase a tierra sin peligro en lugar de a lo largo de la línea eléctrica. Las columnas de SiC demostraron conducir significativamente a los voltajes normales de operación de las líneas eléctricas, por lo que tuvieron que colocarse en serie con un descargador de chispa . Este descargador de chispa se ioniza y se vuelve conductor cuando el rayo eleva el voltaje del conductor de la línea eléctrica, conectando así eficazmente la columna de SiC entre el conductor de la línea eléctrica y la tierra. Los descargadores de chispa utilizados en los pararrayos no son fiables, ya que pueden fallar al generar un arco cuando se necesita o no desconectarse posteriormente, en este último caso debido a fallas en el material o contaminación por polvo o sal. El uso de columnas de SiC se concibió originalmente para eliminar la necesidad del descargador de chispa en los pararrayos. Los pararrayos de SiC con descargador de chispa se utilizaron para la protección contra rayos y se comercializaron bajo las marcas GE y Westinghouse , entre otras. El pararrayos de SiC con espacio ha sido reemplazado en gran medida por varistores sin espacio que utilizan columnas de pastillas de óxido de zinc . ^{[ 59 ]}

El carburo de silicio fue el primer material semiconductor de importancia comercial. Henry Harrison Chase Dunwoody patentó en 1906 un diodo detector de radio de cristal de "carborundo" (carburo de silicio sintético). Este diodo tuvo un amplio uso inicial en receptores a bordo de barcos.

Dispositivos electrónicos de potencia

En 1993, el carburo de silicio se consideraba un semiconductor tanto en investigación como en la producción en masa inicial , lo que proporcionaba ventajas para dispositivos rápidos, de alta temperatura y/o alto voltaje. Los primeros dispositivos disponibles fueron diodos Schottky , seguidos de transistores FET de puerta de unión y MOSFET para conmutación de alta potencia. Se describieron transistores bipolares y tiristores . ^{[ 41 ]}

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. ^{[ 60 ]} Como resultado, los dispositivos hechos de cristales de SiC inicialmente mostraron un rendimiento de bloqueo inverso deficiente, aunque los investigadores han estado buscando tentativamente soluciones para mejorar el rendimiento de ruptura. ^{[ 61 ]} 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 y transistores bipolares de puerta aislada basados ​​en SiC . Aunque el mecanismo aún no está claro, la nitruración ha reducido drásticamente los defectos que causan los problemas de interfaz. ^{[ 62 ]}

En 2008, se introdujeron en el mercado los primeros JFET comerciales con una tensión nominal de 1200 V, ^{[ 63 ]} seguidos en 2011 por los primeros MOSFET comerciales con una tensión nominal de 1200 V. Ahora hay JFET disponibles con tensiones nominales 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 los chips desnudos en sus módulos de electrónica de potencia .  

Los diodos SiC SBD han encontrado una amplia difusión en el mercado, utilizándose en circuitos PFC y módulos de potencia IGBT . ^{[ 64 ]} Conferencias como la Conferencia Internacional sobre Sistemas Integrados de Electrónica de Potencia (CIPS) informan periódicamente sobre el progreso tecnológico de los dispositivos de potencia SiC. Los principales desafíos para aprovechar al máximo las capacidades de los dispositivos de potencia SiC son:

• Control de puerta: Los dispositivos SiC a menudo requieren niveles de voltaje de control de puerta que son diferentes a los de sus contrapartes de silicio y pueden incluso ser asimétricos, por ejemplo, +20  V y −5  V. ^{[ 65 ]}
• Empaquetado: Los chips de SiC pueden tener una mayor densidad de potencia que los dispositivos de potencia de silicio y son capaces de soportar temperaturas más altas que superan el límite del silicio de 150  °C. Se requieren nuevas tecnologías de unión de chips, como la sinterización, para disipar eficientemente el calor de los dispositivos y garantizar una interconexión fiable. ^{[ 66 ]}

A partir del Tesla Model 3, los inversores de la unidad de transmisión utilizan 24 pares de chips MOSFET de carburo de silicio (SiC) con una tensión nominal de 650 voltios cada uno. En este caso, el carburo de silicio proporcionó a Tesla una ventaja significativa sobre los chips de silicio en términos de tamaño y peso. Varios fabricantes de automóviles planean incorporar carburo de silicio en los dispositivos electrónicos de potencia de sus productos. Se prevé 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. ^{[ 67 ] [ 68 ]}

El bajo coeficiente de expansión térmica, ^{[ 39 ]} la alta dureza, rigidez y conductividad térmica hacen del carburo de silicio un material deseable para espejos de 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 óptica de SiC, ^{[ 72 ] [ 73 ]} así como 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 de los gases mediante una técnica óptica denominada pirometría de filamento delgado. Esta técnica consiste en colocar un filamento delgado en una corriente de gas caliente. Las emisiones radiactivas del filamento pueden correlacionarse con su temperatura. Los filamentos son fibras de SiC con un diámetro de 15  micrómetros, aproximadamente una quinta parte del grosor de un cabello humano. Debido a su delgadez, las fibras apenas perturban la llama y su temperatura se mantiene cercana a la del gas circundante.  Se pueden medir temperaturas de entre 800 y 2500 K. ^{[ 74 ] [ 75 ]}

Existen referencias a elementos calefactores de carburo de silicio desde principios del siglo XX, cuando eran producidos por Acheson's Carborundum Co. en EE. UU. y EKL en Berlín. El carburo de silicio ofrecía temperaturas de funcionamiento más elevadas que 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 fabricación de cerámica y componentes electrónicos, encendedores en luces piloto para calentadores de gas, etc. ^{[ 76 ]}

La capa exterior de protección térmica del escudo térmico inflable LOFTID de la NASA incorpora una cerámica tejida hecha de carburo de silicio, con fibras de diámetro tan pequeño que se pueden agrupar e hilar para formar un hilo. ^{[ 77 ]}

Debido a su excepcional capacidad de absorción de neutrones , el SiC se utiliza como revestimiento de combustible en reactores nucleares y como material de contención de residuos nucleares . ^{[ 78 ]} También se utiliza en la producción de detectores de radiación para el monitoreo de niveles de radiación en instalaciones nucleares, monitoreo ambiental e imágenes médicas . ^{[ 79 ]} Asimismo, se están desarrollando sensores y componentes electrónicos de SiC para aplicaciones en reactores nucleares, potencialmente para la futura energía nuclear marciana y las emergentes microcentrales nucleares terrestres. ^{[ 80 ]}

Como gema utilizada en joyería , el carburo de silicio se denomina "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 , en comparación con 10 para el diamante), con un índice de refracción entre 2,65 y 2,69 (en comparación con 2,42 para el diamante). La moissanita es algo más dura que la zirconia cúbica común . A diferencia del diamante, la moissanita puede ser fuertemente birrefringente . Por esta razón, las joyas de moissanita se tallan a lo largo del eje óptico del cristal para minimizar los efectos de birrefringencia. Es más ligera (densidad 3,21 g/cm³ ^frente a 3,53 g/cm³ ⁾ y mucho más resistente al calor que el diamante. Esto da como resultado una piedra con mayor brillo , facetas más definidas y buena resistencia. Las piedras de moissanita sueltas pueden colocarse directamente en moldes de cera para anillos mediante fundición a la cera perdida, al igual que el diamante, ^{[ 85 ]} ya que la moissanita no sufre daños a temperaturas de hasta 1800 °C (3270 °F) . La moissanita se ha popularizado como sustituto del diamante y puede confundirse con este, dado que su conductividad térmica es más similar a la del diamante que la de cualquier otro sustituto. Muchos dispositivos de prueba térmica de diamantes no pueden distinguir la moissanita del diamante, pero la gema se distingue por su birrefringencia y una fluorescencia verde o amarilla muy leve bajo luz ultravioleta. Algunas piedras de moissanita también presentan inclusiones curvas en forma de hilo, que los diamantes nunca tienen. ^{[ 86 ]}  

El carburo de silicio, disuelto en un horno de oxígeno básico utilizado para la fabricación de acero , actúa como combustible . La energía adicional liberada permite que el horno procese más chatarra con la misma carga de metal fundido. También puede utilizarse para elevar las temperaturas de colada y ajustar el contenido de carbono y silicio. El carburo de silicio es más económico que una combinación de ferrosilicio y carbono, produce un acero más limpio y menores emisiones debido a sus bajos niveles de oligoelementos , tiene un bajo contenido de gases y no reduce la temperatura del acero. ^{[ 87 ]}

La resistencia natural a la oxidación que presenta el carburo de silicio, así como el descubrimiento de nuevas formas de sintetizar la forma cúbica 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 de catalizador para la oxidación de hidrocarburos , como el n- butano , a anhídrido maleico . ^{[ 88 ] [ 89 ]}

El carburo de silicio se utiliza en la técnica de impresión con carburo de silicio , una técnica de colagrafía . Se aplica una pasta de carburo de silicio sobre la superficie de una plancha de aluminio. Una vez seca la pasta, se aplica la tinta, que queda atrapada en su superficie granular, y luego se limpia de las zonas sin tinta. La plancha entintada se imprime sobre papel en una prensa de rodillos, utilizada para la impresión calcográfica . El resultado es una estampa con marcas pintadas grabadas en relieve sobre el papel.

El carburo de silicio también se utiliza en la litografía sobre piedra. Su tamaño de partícula uniforme permite utilizarlo para "granar" la piedra, eliminando así la imagen anterior. En un proceso similar al lijado, se aplica carburo de silicio de grano más grueso a la piedra y se trabaja con un levigator , generalmente una placa redonda excéntrica sobre un eje perpendicular; luego se aplica gradualmente grano cada vez más fino hasta que la piedra queda limpia. Esto crea una superficie sensible a la grasa. ^{[ 90 ]}

El carburo de silicio puede utilizarse en la producción de grafeno debido a sus propiedades químicas, que favorecen la formación de grafeno en la superficie de las nanoestructuras de SiC.

En su producción, el silicio se utiliza principalmente como sustrato para el crecimiento del grafeno. Sin embargo, existen varios métodos para cultivar grafeno sobre carburo de silicio. El método de crecimiento por sublimación controlada por confinamiento (CCS) consiste en calentar un chip de SiC al vacío con grafito. Posteriormente, se libera el vacío de forma gradual para controlar el crecimiento del grafeno. Este método produce capas de grafeno de la más alta calidad. No obstante, se han descrito otros métodos que también ofrecen resultados similares.

Otra forma de cultivar grafeno sería mediante la descomposición térmica de SiC a alta temperatura en vacío. ^{[ 91 ]} Sin embargo, este método produce capas de grafeno con granos más pequeños. ^{[ 92 ]} Por ello, se han realizado esfuerzos para mejorar la calidad y el rendimiento del grafeno. Un método consiste en la grafitización ex situ de SiC con terminación de silicio en una atmósfera de argón. Este método ha demostrado producir capas de grafeno con dominios de mayor tamaño que los que se obtendrían mediante otros métodos. Este nuevo método puede ser muy viable para producir grafeno de mayor calidad para diversas aplicaciones tecnológicas.

En cuanto a comprender cómo o cuándo utilizar estos métodos de producción de grafeno, la mayoría de ellos producen o cultivan grafeno sobre SiC en un entorno propicio para el crecimiento. Se utilizan con mayor frecuencia a temperaturas bastante elevadas (como 1300  °C) debido a las propiedades térmicas del SiC. ^{[ 93 ]} Sin embargo, se han realizado y estudiado ciertos procedimientos que podrían generar métodos que utilicen temperaturas más bajas para la fabricación de grafeno. Más específicamente, se ha observado que este enfoque diferente para el 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. En cuanto al sustrato, el procedimiento consistiría en recubrir un sustrato de SiC con películas delgadas de un metal de transición. Después del tratamiento térmico rápido de esta sustancia, los átomos de carbono se volverían más abundantes en la interfaz superficial de la película de metal de transición, lo que daría lugar al grafeno. Se descubrió que este proceso producía capas de grafeno más continuas en toda la superficie del sustrato. ^{[ 94 ]}

El carburo de silicio puede albergar defectos puntuales en la red cristalina, conocidos como centros de color . Estos defectos pueden producir fotones individuales a demanda y, por lo tanto, sirven como plataforma para una fuente de fotones individuales . ^{[ 95 ]} Este tipo de dispositivo es un recurso fundamental para muchas aplicaciones emergentes de la ciencia de la información cuántica. Si se excita un centro de color mediante una fuente óptica externa o una corriente eléctrica, el centro de color pasará al estado excitado y luego se relajará con la emisión de un fotón. ^{[ 96 ] [ 97 ]}

Un defecto puntual bien conocido en el carburo de silicio es la divacancia, que tiene una estructura electrónica similar a la del centro de vacancia de nitrógeno en el diamante. En el 4H-SiC, la divacancia tiene cuatro configuraciones diferentes que corresponden a cuatro líneas de fonones cero (ZPL). Estos valores de ZPL se escriben usando la notación V _Si -V _C y la unidad eV: hh(1,095), kk(1,096), kh(1,119) y hk(1,150). ^{[ 98 ]}

El carburo de silicio se utiliza en la fabricación de guías de pesca debido a su durabilidad y resistencia al desgaste. ^{[ 99 ]} Los anillos de carburo de silicio se colocan en un marco de guía, generalmente hecho de acero inoxidable o titanio, que evita que la línea toque el blank de la caña. Los anillos proporcionan una superficie de baja fricción que mejora la distancia de lanzamiento, a la vez que ofrecen la dureza adecuada para prevenir la abrasión de la línea de pesca trenzada. ^{[ 100 ]}

El carburo de silicio se utiliza como materia prima en algunos esmaltes aplicados a la cerámica. A altas temperaturas, puede reducir los óxidos metálicos formando sílice y dióxido de carbono. Esto puede utilizarse para que el esmalte forme espuma y cráteres debido al dióxido de carbono liberado, o para reducir los óxidos colorantes y obtener colores como los rojos cobrizos, que de otro modo solo serían posibles mediante una cocción reductora con combustible en un horno eléctrico. ^{[ 101 ]}