Carburo de silicio

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 usa en dispositivos electrónicos semiconductores que funcionan a altas temperaturas o altos voltajes, o ambos.

Ocurrencia natural

Cristal mono moissanito (conjunto de 1 mm de tamaño)

La moissanita natural se encuentra 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 se encontró por primera vez en 1893 como un pequeño componente del meteorito Canyon Diablo en Arizona por el Dr. Ferdinand Henri Moissan, en cuyo honor se nombró el material en 1905. El descubrimiento de Moissan de SiC natural fue inicialmente discutido porque su muestra pudo haber sido contaminada por hojas de sierra de carburo de silicio que ya estaban en el mercado en ese momento.

Aunque 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 carbonácea, ha revelado proporciones isotópicas anómalas de carbono y silicio, lo que indica que estos granos se originaron fuera del sistema solar.

Historia

Primeros experimentos

Las síntesis de carburo de silicio no sistemáticas, menos reconocidas y, a menudo, no verificadas incluyen:

• César-Mansuète Despretz está pasando una corriente eléctrica a través de una varilla de carbono incrustada en arena (1849)
• Robert Sydney Marsden disolverá silica en plata fundida en un crisol grafito (1881)
• Paul Schuetzenberger calenta una mezcla de silicio y sílice en un crisol de grafito (1881)
• El calentamiento de silicio de Albert Colson bajo una corriente de etileno (1882).

Producción a gran escala

Una réplica de experimentos LED de H. J. Round

La producción a gran escala se atribuye a Edward Goodrich Acheson en 1891. Acheson intentaba preparar diamantes artificiales cuando calentó una mezcla de arcilla (silicato de aluminio) y coque en polvo (carbón) en un recipiente de hierro. Llamó a los cristales azules que formaron carborundo, creyendo que era 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, 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. Acheson también desarrolló el horno eléctrico por lotes con el que todavía se fabrica SiC en la actualidad y formó Carborundum Company para fabricar SiC a granel, inicialmente para su uso como abrasivo. En 1900, la empresa llegó a un acuerdo con Electric Smelting and Aluminium Company cuando la decisión de un juez dio "prioridad en términos generales" a sus fundadores "por la reducción de minerales y otras sustancias por el método incandescente". Se dice que Acheson estaba tratando de disolver carbono en corindón fundido (alúmina) y descubrió la presencia de cristales duros de color negro azulado que creía que eran un compuesto de carbono y corindón: por lo tanto, carborundum. Puede ser que haya llamado al material "carborundo" por analogía con el corindón, que es otra sustancia muy dura (9 en la escala de Mohs).

El primer uso de SiC fue como abrasivo. A esto le siguieron las aplicaciones electrónicas. A principios del siglo XX, el carburo de silicio se utilizó como detector en las primeras radios. 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 O. V. Losev en la Unión Soviética en 1923.

Producción

Cristales SiC sintéticos ~3 mm de diámetro

Dos wafers de seis pulgadas hechos de carburo de silicio

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 también como semiconductor y simulador de diamante de calidad de gema. El proceso más simple para fabricar carburo de silicio es combinar arena de sílice y carbón en un horno de resistencia eléctrica de grafito Acheson a alta temperatura, entre 1600 °C (2910 °F) y 2500 °C (4530 °F). Las partículas finas de SiO₂ en el material vegetal (por ejemplo, cáscaras de arroz) se pueden convertir en SiC calentando el exceso de carbono del material orgánico. El humo de sílice, que es un subproducto de la producción de aleaciones de metal de silicio y ferrosilicio, también se puede convertir en SiC calentándolo con grafito a 1500 °C (2730 °F).

El material formado en el horno Acheson varía en pureza, según su distancia de 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.

Synthetic SiC Cristales leales

El carburo de silicio puro se puede fabricar mediante el proceso Lely, en el que el polvo de SiC se sublima en especies de alta temperatura de silicio, carbono, dicarburo de silicio (SiC₂) y carburo de dissilicio (Si₂C) en un ambiente de gas argón a 2500 °C y se vuelve a depositar en monocristales en forma de escamas, con un tamaño de 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 involucra calentamiento por inducción en crisoles de grafito produce cristales individuales aún más grandes de 10 cm (4 pulgadas) de diámetro, con una sección 81 veces mayor en comparación con el proceso Lely convencional.

El SiC cúbico generalmente se cultiva mediante el proceso más costoso de deposición química de vapor (CVD) de silano, hidrógeno y nitrógeno. Las capas de SiC homoepitaxial y heteroepitaxial se pueden cultivar empleando enfoques de fase gaseosa y líquida.

Para formar SiC de forma compleja, se pueden usar polímeros precerámicos como precursores que forman el producto cerámico mediante pirólisis a temperaturas en el rango de 1000 a 1100 °C. Los materiales precursores para obtener carburo de silicio de esta manera incluyen policarbosilanos, poli(metilsilina) y polisilazanos. Los materiales de carburo de silicio obtenidos a través de la pirólisis de polímeros precerámicos se conocen como cerámicas derivadas de polímeros o PDC. La pirólisis de polímeros precerámicos se realiza con mayor frecuencia en una atmósfera inerte a temperaturas relativamente bajas. En relación con el proceso de CVD, el método de pirólisis es ventajoso porque el polímero se puede formar en varias formas antes de la termalización en la cerámica.

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.

Estructura y propiedades

Estructura de los principales politipos SiC.

(β)3C-SiC	4H-SiC	(α)6H-SiC

Carburo de silicona, imagen tomada bajo un microscopio estereoscópico.

El carburo de silicio existe en unas 250 formas cristalinas. A través de la pirólisis atmosférica inerte de polímeros precerámicos, también se produce carburo de silicio en forma amorfa vítrea. El polimorfismo de SiC se caracteriza por una gran familia de estructuras cristalinas similares denominadas 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 determinada secuencia.

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. Hasta hace poco tiempo, la forma beta ha tenido relativamente pocos usos comerciales, aunque ahora hay un interés creciente en su uso como soporte de catalizadores heterogéneos, debido a su mayor área superficial en comparación con la forma alfa.

SiC puro es incoloro. El color marrón a negro del producto industrial resulta de las impurezas de hierro. El brillo similar al arcoíris de los cristales se debe a la interferencia de una película delgada 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 derrite, pero comienza a sublimarse cerca de los 2700 °C como el grafito, con 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 hay mucho interés en su uso como material semiconductor en electrónica, donde su alta conductividad térmica, alta resistencia a la ruptura del campo eléctrico y alta densidad de corriente máxima lo hacen más prometedor que el silicio para dispositivos de alta potencia. SiC también tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo (4,0 × 10⁻⁶/K) y no experimenta transiciones de fase que puedan causar discontinuidades en la expansión térmica.

Conductividad eléctrica

El carburo de silicio es un semiconductor que se puede dopar de tipo n con nitrógeno o fósforo y de tipo p con berilio, boro, aluminio o galio. 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. 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. Por el contrario, 3C-SiC:B es de tipo I, al igual que 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 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 'ver' diferentes ambientes, en ambos politipos.

Usos

Herramientas abrasivas y de corte

Discos de corte hechos de SiC

En las artes, el carburo de silicio es un abrasivo popular en el lapidario moderno debido a la durabilidad y el bajo costo del material. En la industria manufacturera, se utiliza por su dureza en procesos de maquinado abrasivo como esmerilado, bruñido, corte por chorro de agua y arenado. SiC ofrece una alternativa mucho más nítida y dura para el pulido con arena en comparación con el óxido de aluminio. Las partículas de carburo de silicio se laminan en papel para crear papeles de lija y la cinta de agarre de las patinetas.

En 1982 se descubrió un compuesto excepcionalmente fuerte de óxido de aluminio y filamentos de carburo de silicio. El desarrollo de este compuesto producido en laboratorio a un producto comercial tomó solo tres años. En 1985, se introdujeron en el mercado las primeras herramientas de corte comerciales fabricadas con este compuesto reforzado con fibras de carburo de silicio y alúmina.

Material estructural

Carburo de silicona se utiliza para placas de trauma de chalecos balísticos

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 los álabes de turbina o las paletas de boquilla de superaleación de níquel. 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.

Al igual que otras cerámicas duras (a saber, alúmina y carburo de boro), el carburo de silicio se usa en armaduras compuestas (por ejemplo, armaduras Chobham) y en placas de cerámica en chalecos antibalas. Dragon Skin, que fue producido por Pinnacle Armor, usaba discos de carburo de silicio. La tenacidad a la fractura mejorada en la armadura de SiC se puede facilitar a través del fenómeno de crecimiento de grano anormal o AGG. El crecimiento de granos de carburo de silicio anormalmente largos puede servir para impartir un efecto de endurecimiento a través de la formación de puentes entre grietas y estelas, similar al refuerzo de filamentos. Similar Se han informado efectos de endurecimiento de AGG en nitruro de silicio (Si₃N₄).

El carburo de silicio se utiliza como soporte y material de estantería en hornos de alta temperatura, como para la cocción de cerámica, la fusión de vidrio o la fundición de vidrio. Los estantes de los hornos de SiC son considerablemente más livianos y duraderos que los estantes de alúmina tradicionales.

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 resistente y plástica adecuada para su uso en aeronáutica, aeroespacial, automóvil y microelectrónica.

Piezas de automóviles

Freno de carburo de silicio de Porsche Carrera GT "carbon-ceramic"

El compuesto de carbono-carbono infiltrado con silicio se utiliza para materiales "cerámicos" de alto rendimiento. discos de freno, 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, así como en otros autos de alto rendimiento, incluidos el Porsche Carrera GT, el Bugatti Veyron, el Chevrolet Corvette ZR1, el McLaren P1, Bentley, Ferrari, Lamborghini y algunos específicos de alta gama. coches Audi de altas prestaciones. El carburo de silicio también se utiliza en forma sinterizada para filtros de partículas diésel. También se usa como aditivo de aceite para reducir la fricción, las emisiones y los armónicos.

Crisoles de fundición

SiC se utiliza en crisoles para contener metal fundido en aplicaciones de fundición pequeñas y grandes.

Sistemas eléctricos

La primera aplicación eléctrica de 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 cierto umbral V_T, 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 V_T arrojando corriente al suelo.

Desde el principio se reconoció que el SiC tenía una resistencia tan dependiente del voltaje, por lo que se conectaron columnas de gránulos de SiC entre las líneas eléctricas de alto voltaje y la tierra. Cuando cae un rayo en la línea, la tensión de la línea aumenta lo suficiente, la columna de SiC conduce, lo que permite que la corriente del rayo pase a tierra sin causar daño en lugar de a lo largo de la línea eléctrica. Las columnas de SiC demostraron conducir significativamente a los voltajes operativos normales de la línea eléctrica y, por lo tanto, tuvieron que colocarse en serie con un espacio de chispas. Este espacio de chispas se ioniza y se vuelve conductivo cuando un rayo eleva el voltaje del conductor de la línea de alimentación, conectando así efectivamente la columna de SiC entre el conductor de alimentación y la tierra. Las vías de chispas que se utilizan en los pararrayos no son fiables, ya sea porque no generan un arco cuando es necesario o porque no se apagan después, en este último caso debido a fallas en el material o contaminación por polvo o sal. El uso de columnas de SiC originalmente estaba destinado a eliminar la necesidad de un espacio de chispas en los pararrayos. Los pararrayos de SiC con huecos se utilizaron para la 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 gránulos de óxido de zinc.

Elementos del circuito electrónico

El carburo de silicio fue el primer material semiconductor de importancia comercial. Una radio de cristal "carborundo" El diodo detector (carburo de silicio sintético) fue patentado por Henry Harrison Chase Dunwoody en 1906. Encontró un uso muy temprano en los receptores de a bordo.

Dispositivos electrónicos de potencia

En 1993, el carburo de silicio se consideraba un semiconductor tanto en la investigación como en la producción en masa inicial, lo que brindaba ventajas para dispositivos rápidos, de alta temperatura y/o alto voltaje. Los primeros dispositivos disponibles fueron los diodos Schottky, seguidos por los FET y MOSFET de puerta de unión para conmutación de alta potencia. Actualmente se desarrollan transistores y tiristores bipolares.

Un problema importante para la comercialización de 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. Como resultado, los dispositivos fabricados con cristales de SiC inicialmente mostraron un bajo rendimiento de bloqueo inverso, aunque los investigadores han estado buscando soluciones tentativamente para mejorar el rendimiento de ruptura. Además de la calidad del cristal, los problemas con la interfaz de SiC con 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 interfaz.

En 2008, se introdujeron en el mercado los primeros JFET comerciales con una clasificación de 1200 V, seguidos en 2011 por los primeros MOSFET comerciales con una clasificación de 1200 V. Los JFET ahora están disponibles con una clasificación 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 diodo de barrera Schottky, SBD) en los populares paquetes TO-247 y TO-220, las empresas comenzaron incluso antes a implementar los chips desnudos en sus módulos electrónicos de potencia.

Los diodos SiC SBD encontraron una amplia difusión en el mercado y se utilizan en circuitos PFC y módulos de potencia IGBT. Conferencias como la Conferencia Internacional sobre Sistemas Integrados de Electrónica de Potencia (CIPS) informan regularmente sobre el progreso tecnológico de los dispositivos de potencia de SiC. Los principales desafíos para liberar completamente las capacidades de los dispositivos de alimentación de SiC son:

• Unidad de puerta: Los dispositivos SiC a menudo requieren niveles de tensión de entrada que son diferentes de sus contrapartes de silicio y pueden ser incluso no simétricos, por ejemplo, +20 V y −5 V.
• Embalaje: Los chips SiC pueden tener una mayor densidad de potencia que los dispositivos de energía de silicio y pueden manejar temperaturas más altas que el límite de silicio de 150 °C. Las nuevas tecnologías die attach como sintering son necesarias para sacar el calor de los dispositivos y asegurar una interconexión confiable.

A partir del modelo 3 de Tesla, los inversores de la unidad de accionamiento utilizan 24 pares de chips MOSFET de carburo de silicio (SiC) clasificados para 650 voltios cada uno. El carburo de silicio en este caso le dio a Tesla una ventaja significativa sobre los chips hechos de silicio en términos de tamaño y peso. Varios fabricantes de automóviles planean incorporar carburo de silicio en dispositivos electrónicos de potencia en sus productos. Se proyecta un aumento significativo en la producción de carburo de silicio, comenzando con una gran planta planificada por Wolfspeed en el norte del estado de Nueva York.

Ultravioleta LED

LED

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 de 3C-SiC se fabricaron en la Unión Soviética en la década de 1970 y los LED azules (6H-SiC) en todo el mundo en la década de 1980.

La producción de LED de carburo pronto se detuvo cuando un material diferente, el nitruro de galio, mostró una emisión de 10 a 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 difusor de calor en los LED de alta potencia.

Astronomía

El bajo coeficiente de expansión térmica, la alta dureza, la rigidez y la conductividad térmica hacen del carburo de silicio un material de espejo deseable para los 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, así como el telescopio espacial Gaia. Los subsistemas de la nave espacial del observatorio están montados en un marco rígido de carburo de silicio, que proporciona una estructura estable que no se expandirá ni contraerá debido al calor.

Pirometría de filamento fino

Prueba la llama y las fibras de SiC brillantes. La llama es de unos 7 cm de altura.

Las fibras de carburo de silicio se utilizan para medir la temperatura de los gases en una técnica óptica denominada pirometría de filamento fino. Implica la colocación de un filamento delgado 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 de un cabello humano. Debido a que las fibras son tan delgadas, hacen poco para perturbar la llama y su temperatura se mantiene cercana a la del gas local. Se pueden medir temperaturas de alrededor de 800–2500 K.

Elementos calefactores

Existen referencias a los elementos calefactores de carburo de silicio desde principios del siglo XX, cuando los producía Acheson's Carborundum Co. en los EE. UU. y EKL en Berlín. El carburo de silicio ofreció 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, tratamiento térmico de metales, producción de vidrio flotado, producción de componentes cerámicos y electrónicos, encendedores en luces piloto para calentadores de gas, etc.

Protección térmica

La capa de protección térmica exterior 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 y tejer en un hilo.

Partículas y revestimientos de combustible nuclear

El carburo de silicio es un material importante en las partículas de combustible recubiertas con TRISO, el tipo de combustible nuclear que se encuentra en los reactores refrigerados por gas de alta temperatura, como el reactor Pebble Bed. Una capa de carburo de silicio brinda soporte estructural a las partículas de combustible recubiertas y es la principal barrera de difusión para la liberación de productos de fisión.

Se ha investigado el uso de material compuesto de carburo de silicio como reemplazo 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 con el aumento de la fracción volumétrica de hidruros radiales. Este fenómeno aumenta drásticamente con el aumento de la temperatura en detrimento del material. El revestimiento de carburo de silicio no experimenta la misma degradación mecánica, sino que conserva las propiedades de resistencia con el aumento de la temperatura. El compuesto consta de fibras de SiC envueltas alrededor de una capa interna de SiC y rodeadas por una capa externa de SiC. Se han informado problemas con la capacidad de unir las piezas del compuesto de SiC.

Joyas

Un anillo de compromiso moissanite

Como piedra preciosa utilizada en joyería, el carburo de silicio se denomina "moissanite sintético" o simplemente "moissanite" después del 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 el 10 del diamante), con un índice de refracción entre 2,65 y 2,69 (en comparación con el 2,42 del 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 cortan a lo largo del eje óptico del cristal para minimizar los efectos de birrefringencia. Es más ligero (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 de mayor brillo, facetas más afiladas y buena resiliencia. Las piedras de moissanita sueltas se pueden colocar directamente en moldes de anillo de cera para la fundición a la cera perdida, al igual que el diamante, ya que la moissanita no se daña con temperaturas de hasta 1800 °C (3270 °F). La moissanita se ha vuelto popular como sustituto del diamante y puede ser mal identificada como diamante, ya que su conductividad térmica está más cerca del diamante que 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 la luz ultravioleta. Algunas piedras de moissanita también tienen inclusiones curvas en forma de hilo, que los diamantes nunca tienen.

Producción de acero

Pieza de carburo de silicio utilizado en la fabricación de acero

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 aumentar la temperatura del grifo y ajustar el contenido de carbono y silicio. El carburo de silicio es más económico que una combinación de ferrosilicio y carbono, produce acero más limpio y emisiones más bajas debido a los bajos niveles de oligoelementos, tiene un bajo contenido de gas y no baja la temperatura del acero.

Soporte de catalizador

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 suscitado un gran interés en su uso como soporte heterogéneo de catalizadores. Esta forma ya se ha empleado como soporte de catalizador para la oxidación de hidrocarburos, como el n-butano, a anhídrido maleico.

Grabado en carborundo

El carburo de silicio se utiliza en el grabado con carborundo, una técnica de grabado en colagrafía. El grano de carborundo se aplica en forma de pasta a la superficie de una placa de aluminio. Cuando la pasta está seca, se aplica tinta y se atrapa en su superficie granular, luego se limpia de las áreas descubiertas de la placa. Luego, la placa de tinta se imprime en papel en una prensa de lecho rodante que se utiliza para el grabado en huecograbado. El resultado es una impresión de marcas pintadas en relieve en el papel.

La granalla de carborundo también se utiliza en la litografía en piedra. Su tamaño de partícula uniforme permite que se use para "Grano" una piedra que quita la imagen anterior. En un proceso similar al lijado, se aplica Carborundum de grano más grueso a la piedra y se trabaja con un Levigator, luego se aplica gradualmente grano más y más fino hasta que la piedra esté limpia. Esto crea una superficie sensible a la grasa.

Producción de grafeno

El carburo de silicio se puede utilizar en la producción de grafeno debido a sus propiedades químicas que promueven la producción epitaxial de grafeno en la superficie de las nanoestructuras de SiC.

Cuando se trata de su producción, el silicio se utiliza principalmente como sustrato para hacer crecer el grafeno. Pero en realidad hay varios métodos que se pueden usar para hacer crecer el grafeno en 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 también se ha informado que otros métodos producen el mismo producto.

Otra forma de cultivar grafeno sería descomponer térmicamente SiC a alta temperatura en el vacío. Pero este método produce capas de grafeno que contienen granos más pequeños dentro de las capas. Así que ha habido esfuerzos para mejorar la calidad y el rendimiento del grafeno. Uno de estos métodos es realizar la grafitización ex situ de SiC terminado en silicio en una atmósfera que consiste en argón. Este método ha demostrado producir capas de grafeno con tamaños de dominio más grandes que la capa que se podría obtener a través de otros métodos. Este nuevo método puede ser muy viable para hacer grafeno de mayor calidad para multitud de aplicaciones tecnológicas.

Cuando se trata de comprender cómo o cuándo usar estos métodos de producción de grafeno, la mayoría de ellos producen o cultivan principalmente este grafeno en el SiC dentro de un entorno propicio para el crecimiento. Se utiliza con mayor frecuencia a temperaturas bastante más altas (como 1300 °C) debido a las propiedades térmicas del SiC. Sin embargo, se han realizado y estudiado ciertos procedimientos que potencialmente podrían producir métodos que usan temperaturas más bajas para ayudar a fabricar 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. Y en cuanto al sustrato, el procedimiento consistiría en recubrir un sustrato de SiC con películas delgadas 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 de la superficie de la película de metal de transición que luego produciría grafeno. Y se descubrió que este proceso producía capas de grafeno que eran más continuas en toda la superficie del sustrato.

Física cuántica

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 bajo demanda y, por lo tanto, servir como plataforma para una fuente de fotones individuales. Dicho dispositivo es un recurso fundamental para muchas aplicaciones emergentes de la ciencia de la información cuántica. Si uno bombea un centro de color a través de una fuente óptica externa o corriente eléctrica, el centro de color se excitará y luego se relajará con la emisión de un fotón.

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 4H-SiC, la divacancia tiene cuatro configuraciones diferentes que corresponden a cuatro líneas de cero fonones (ZPL). Estos valores 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).

Guías para cañas de pescar

El carburo de silicio se utiliza en la fabricación de guías de pesca debido a su durabilidad y resistencia al desgaste. 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 blanco de la varilla. Los anillos proporcionan una superficie de baja fricción que mejora la distancia de lanzamiento al tiempo que proporciona una dureza adecuada que evita la abrasión de la línea de pesca trenzada.

Esmaltes de cerámica

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 se puede usar para hacer que el esmalte haga espuma y cráter debido al gas de dióxido de carbono emitido, o para reducir los óxidos colorantes y lograr colores como los rojos cobrizos, que de otro modo solo son posibles en una cocción de reducción impulsada por combustible en un horno eléctrico.