Carburo di silicio o carborundum: struttura, proprietà

Il carburo di silicio noto come carborundum ha formula CSi è un materiale ceramico ad elevata durezza intermedia tra il diamante e il corindone nella scala di Mohs.
Sebbene sia presente nel rarissimo minerale moissanite esso è prodotto sinteticamente.

Nel 1891 il chimico statunitense Edward Goodrich Acheson nell’ambito dei suoi studi per ottenere diamanti artificiali riscaldando carbonio e biossido di silicio notò dei cristalli lucenti e ritenne che fosse una forma di allumina cristallizzata come il corindone mentre si trattava di carburo di silicio ottenuto dalla reazione:
SiO₂ + 3 C → SiC + 2 CO

Il carburo di silicio è ottenuto anche a partire dagli elementi ma si hanno elevati consumi di energia e lunghi tempi di lavorazione. Sono stati pertanto messi a punto altri metodi a bassa temperatura o che sfruttano radiazioni che cadono nel campo delle microonde.

Struttura

ll carburo di silicio ha struttura tetraedrica in cui sono presenti atomi di carbonio e silicio legati tra loro nel reticolo cristallino tramite forti legami. Il carburo di silicio è un semiconduttore a banda larga è composto da strati esagonali di atomi di silicio e carbonio  nella sua struttura cristallina.  La ripetizione del modello ABABAB è in grado di produrre una cella unitaria romboedrica che è caratterizzata da reticoli cubici a facce centrate (FCC).

La formazione di una rete di legami covalenti tra atomi di Si e C in questa configurazione determina un’elevata energia di legame e un ban dgap di 3.26 eV

La struttura cristallina di SiC conferisce proprietà distintive che lo differenziano da altri semiconduttori. Il SiC presenta una conduttività termica di circa 4,9 W cm ⁻¹ K ⁻¹ . Questa proprietà facilita la dissipazione del calore che si genera durante il funzionamento del dispositivo, aumentando così l’affidabilità del dispositivo. Inoltre, il SiC presenta una notevole intensità del campo elettrico per la rottura, che denota il limite superiore dell’intensità del campo elettrico che il materiale può sopportare prima di subire la rottura

Proprietà

Il materiale è duro e resistente e non è attaccato da acidi o da alcali. A contatto con l’aria si ricopre di un rivestimento protettivo costituito da biossido di silicio.

Il carburo di silicio presenta caratteristiche uniche come alto punto di fusione, eccellente resistenza all’ossidazione, elevata inerzia chimica, elevata conducibilità termica, buona capacità di assorbimento delle microonde, ampio gap di banda energetica ed elevata resistenza meccanica ed è utilizzato in strutture aerospaziali, biomateriali e semiconduttori.

l SiC presenta una caratteristica notevole di elevata mobilità degli elettroni , che denota la velocità alla quale gli elettroni possono attraversare la sostanza. Questa caratteristica rende il carburo di silicioadatto all’impiego in applicazioni ad alta frequenza, come i dispositivi che lavorano in radiofrequenza.  Inoltre, presenta una costante dielettrica ridotta, che consente di accumulare carica con un consumo energetico inferiore rispetto ai materiali semiconduttori alternativi.

Il SiC presenta una durezza Mohs di circa 9.5, il che lo rende uno dei materiali più robusti esistenti. Grazie alla sua eccezionale durezza e conduttività termica, il SiC è un materiale adatto per applicazioni in utensili da taglio e cuscinetti ad alta temperatura

Le ceramiche al carburo di silicio con basse impurità mantengono la loro resistenza a temperature molto elevate, fino a 1600 ° C. La conduzione elettrica del materiale ha portato al suo uso in elementi riscaldanti a resistenza per forni elettrici e come componente chiave nei termistori.

Una nuova prospettiva per il carburo di silicio potrebbe concretizzarsi in applicazioni biomediche, grazie alla sua buona biocompatibilità.

L’integrazione di grafene con un semiconduttore inorganico come il carburo di silicio sta portando alla nascita di una classe di materiali ibridi che sono altamente promettenti poiché combinano le migliori proprietà di due materiali

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