Szilícium-nitrid

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2016. december 16-án áttekintett verziótól ; az ellenőrzésekhez 10 szerkesztés szükséges .

szilícium-nitrid


Tábornok
Chem. képlet	Si 3 N 4
Fizikai tulajdonságok
Állapot	szürke szagtalan por
Moláris tömeg	140,28 g/ mol
Sűrűség	3,44 g/cm³
Termikus tulajdonságok
Hőfok
• olvadás	1900 °C
Entalpia
• oktatás	-750 kJ/mol
Optikai tulajdonságok
Törésmutató	(588 nm) 2,02
Szerkezet
Kristályos szerkezet	hatszögletű, trigonális, köbös
Osztályozás
Reg. CAS szám	12033-89-5
PubChem	3084099
Reg. EINECS szám	234-796-8
MOSOLYOK	N12[Si]34N5[Si]16N3[Si]25N46
InChI	InChI=1S/N4Si3/c1-5-2-6(1)3(5)7(1,2)4(5)6HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N
ChemSpider	2341213
Az adatok standard körülményeken (25 °C, 100 kPa) alapulnak, hacsak nincs másképp jelezve.
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

A szilícium-nitrid ( tetranitrogén-triszilícium ) egy bináris szervetlen kémiai vegyület , amely szilícium és nitrogén vegyülete . A kémiai képlet a . ${\displaystyle {\mathsf {Si_{3}N_{4))))$

Tulajdonságok

A szilícium-nitrid mechanikai és fizikai- kémiai tulajdonságokkal rendelkezik , amelyek számos alkalmazáshoz hasznosak . A szilícium-nitrid kötésnek köszönhetően jelentősen javulnak a szilícium - karbid , perikláz , forszterit stb. alapú tűzálló anyagok működési tulajdonságai , agresszív olvadékok és fémgőzök .

Fizikai

A szilícium-nitrid kerámia nagy szilárdsággal rendelkezik széles hőmérsékleti tartományban, mérsékelt hővezető képességgel , alacsony hőtágulási együtthatóval , közepesen magas rugalmassági együtthatóval és a kerámiákhoz képest szokatlanul magas törési szilárdsággal rendelkezik. A tulajdonságok ezen kombinációja kiváló hősokkállóságot eredményez , amely képes ellenállni a nagy terheléseknek magas hőmérsékleten, miközben megőrzi a kiváló kopásállóságot . Alacsony fajsúlya miatt a kristályos szilícium-nitrid kiválóan alkalmas emberi csontprotézisekre [1] .

A szilícium-dioxidhoz képest az amorf állapotú nitridben nagyobb az elektron- és lyukcsapdák koncentrációja (kb. 10 19 cm −3 ), és ezek a csapdák viszonylag mélyek (kb. 1,5 eV ). Ez lehetővé teszi a szilícium-nitrid hatékony memóriaeszközként történő alkalmazását: a beleinjektált elektronokat és lyukakat csapdák lokalizálják (befogják), és 85 °C-os hőmérsékleten körülbelül 10 évig bennük maradhatnak [1] .

Ezenkívül az oxiddal összehasonlítva a szilícium-nitridnek nagy a dielektromos állandója (körülbelül 7, míg a SiO 2 -é 3,9), ezért számos eszközben használják szigetelőként [1] .

Vegyi

A szilícium-nitrid nem lép kölcsönhatásba salétromsavval , kénsavval és sósavval , gyengén reagál foszforsavval és intenzíven hidrogén-fluorsavval . Lebomlik lúgok olvadékaival , alkálifémek oxidjai és karbonátjai . Nem lép kölcsönhatásba klórral 900 °C-ig, hidrogén-szulfiddal - 1000 °C-ig, hidrogénnel - 1200 °C-ig. Olvadékokkal Al , Pb , Sn , Zn , Bi , Cd , Cu - nem reagál; átmeneti fémekkel szilicideket , fémoxidokkal 1200°C feletti szilikátokat képez . A szilícium-nitrid levegőben történő oxidációja 900 °C felett kezdődik.

Feldolgozás

A szilícium-nitrid termékeket magas hőmérsékleten történő szintereléssel, melegsajtolással, szilíciumvegyületek pirolízisével állítják elő. Kiváló minőségű termékeket állítanak elő gáz -statikus berendezésekben, nagy nyomáson, nitrogén jelenlétében .

A szilícium-nitridet nehéz önálló anyagként beszerezni, mivel nem hevíthető 1850 °C fölé - ez jóval az olvadáspont alatt van ( a szilícium és a nitrogén disszociál ). Így a hagyományos termikus szinterezési módszer ( angol. hot press szinterezés ) alkalmazása problematikus. A porított szilícium-nitrid kötése alacsonyabb hőmérsékleten is elérhető további anyagok hozzáadásával, amelyek általában javítják a szinterezés mértékét. Alternatív megoldás a szikraplazma szinterezés ( Spark Plasma Sintering ) [2] alkalmazási módja, ahol a melegítés nagyon gyors (másodpercek alatt); ahol elektromos áramimpulzusok haladnak át az elősűrített poron. Ezzel a módszerrel 1500-1700°C hőmérsékleten szilícium-nitridből készült sűrű termékeket kaptunk.

A kristályos módosulások tulajdonságai

Kék atomok - nitrogén, szürke - szilícium
trigonális α-Si 3 N 4
hatszögletű β-Si 3 N 4
köbméter γ-Si 3 N 4

A szilícium-nitridnek három krisztallográfiai szerkezete létezik, ezek α, β és γ. Az Α és β fázis a szilícium-nitrid leggyakoribb formái, és normál nyomáson is előállíthatók. A Γ fázis magas nyomáson és hőmérsékleten , valamint 35 GPa nyomáson szintetizálható .

Az Α és a β-Si 3 N 4 trigonális ( Pearson-szimbólum hP28 , P31c tércsoport , 159. sz.), illetve hatszögletű (hP14, P6 3 , 173. sz.) szerkezettel rendelkezik, amelyeket a csereszögekből építenek fel. Si 3 N 4 tetraéder . A β-Si 3 N 4 és α-Si 3 N 4 ABAB … vagy ABBCABCB … sorozatú szilícium és nitrogénatomok rétegeiből álló szerkezeteknek tekinthetők . Az AB réteg α és β fázisban is megismétlődik, míg a csúszási síkon AB-t tartalmazó CD csak az α fázisban ismétlődik. A β formájú Si 3 N 4 tetraéderek oly módon kapcsolódnak egymáshoz, hogy az alagutak az egységcella tengelyével párhuzamosan alakulnak ki. A csúszási sík miatt, amely AB-tól CD-ig tart, az α szerkezet alagutak helyett üregeket tartalmaz. A köbös γ-Si 3 N 4 formát az irodalomban gyakran "c-módosításnak" nevezik, hasonlóan a bór-nitrid (c-BN) köbös módosításához. A szilícium-nitrid Γ -formája spinellszerkezetű , amelyben minden két szilíciumatom hat nitrogénatomhoz kapcsolódik, oktaédert alkotva , egy szilíciumatom pedig négy nitrogénatomhoz kötődik , így tetraédert alkot.

A hosszabb halmozási sorrend nagyobb keménységű α-fázist eredményez, mint a β-fázis. Az α fázis azonban kémiailag instabil a β fázishoz képest. Magas hőmérsékleten, amikor folyékony fázisra hevítjük , az α-fázis β-fázissá alakul. Így a β-Si 3 N 4 a kerámiaiparban használt fő forma.

Az α és β-Si 3 N 4 formák tulajdonságai:

α- Si3N4 esetén: a = 0,7765 nm, c= 0,5622 nm, P31c tércsoport;
β-Si 3N 4 esetén: a= 0,7606 nm, c=0,2909 nm, P6 3 /m tércsoport .
Az α-Si 3 N 4 1400 °C feletti hőmérsékleten β-formává alakul.

A β-Si 3 N 4 1600 °C-ig stabil; nem olvad el.

Az α-Si 3 N 4 tulajdonságai :

1600 °C feletti bomlás közben intenzíven szublimál
Sűrűség : 3,192 g/cm³,
C° p : 93,01 J/(mol K),
ΔH ° arr : 787,8 kJ/mol,
S° 298 : 66,07 J/(mol K),
Hővezetőképesség :
- 62,8 W/(m K) 300 K-en;
- 20,0 W/(m K) 1573 K-en,
Lineáris tágulási hőmérsékleti együttható : 3,4⋅10 −6 K −1 ,
Debye hőmérséklet : 1140 K,
Sávköz : 4,0 eV,
Dielektromos állandó : 6,3-7,1,
Dielektromos veszteségszög tangens : (5,3-9,7)⋅10 −3 ,
Vickers keménység (terhelés 100 g):
- 45,3 GPa (α-struktúra);
- 34,8-35,8 GPa (β-szerkezet),
Rugalmassági modulus : 298 GPa.

Használat

Alkatrészek létrehozásakor

A szilícium-nitridet főleg olyan szerkezetekben használják, ahol nagy szilárdság és magas hőmérséklet-állóság szükséges.

Tégelyek , szivattyúelemek, csővezetékek , gázégő fúvókák, katalizátorblokk-tartók, repülőgépfej - burkolatok , rádiós átlátszó ablakok gyártására használják , csiszoló- és szigetelőanyagként . Használják például a gázturbinás motorok és maguk a gázturbinák hőútjához szükséges alkatrészek, autómotor-alkatrészek, csapágyak , fémmegmunkálás során, és széles körben használják kerámiák, vágószerszámok, tűzálló anyagok gyártásában. stb. A szilícium-nitriddel készült tűzálló anyagok nagy hőállósággal és szilárdsággal rendelkeznek . Hővédő ablatív anyagok , tűzálló szilícium-karbid anyagok , hőálló tűzálló anyagok, fémvezetők , kiöntő és adagoló eszközök szerves részeként használják színesfémekhez.

Alkalmazások az elektronikában

A szilícium-nitrid a szilícium -oxiddal és a szilícium-oxinitriddel együtt kulcsfontosságú anyag a szilícium elektronikai eszközökben [1] .

A szilícium-elektronikában leggyakrabban vékony szilícium-nitrid filmeket használnak szigetelőrétegként; A szilícium-nitrid konzol az atomerőmikroszkóp vizsgáló része .

A szilícium-nitridet gyakran használják szigetelőként és kémiai gátként is az integrált áramkörök gyártása során .

A szilícium-nitridet széles körben használják a flash memória eszközökben tárolóeszközként [1] .

Alkalmazások az építőiparban

Szálerősítésű betonban szálként használható (hasonlóan a bazaltszálhoz ) [3] .

Szintézis

Közvetlen nitridálás [4] :

{\displaystyle {\mathsf {3Si+2N_{2}\ {\xrightarrow {1200-1500^{o}C))\ Si_{3}N_{4))))

Termokarbon nitridálás :

{\mathsf {3SiO_{2}+6C+2N_{2}\rightarrow Si_{3}N_{4}+6CO\!\uparrow ))

A szilán ammóniában való áteresztése szilícium- nitridot és hidrogént eredményez :

{\mathsf {3SiH_{4}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+12H_{2}\!\uparrow ))

Ha szilícium-diklorid-dihidridet ammóniába engedünk, szilícium-nitrid, hidrogén-klorid és hidrogén keletkezik:

{\mathsf {3SiCl_{2}H_{2}+4NH_{3}\jobbra nyíl Si_{3}N_{4}+6HCl+6H_{2}\!\uparrow ))

Kémiai gőzleválasztás ( CVD) [5] :

{\mathsf {3SiH_{4}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+12H_{2}\!\uparrow ))

Ha ammóniát adunk a szilícium-szulfidhoz, szilícium-nitridet, tiszta hidrogént és ként kapunk a kimeneten :

{\mathsf {3SiS_{2}+4NH_{3}\ {\xrightarrow {1200-1450^{o}C}}\ Si_{3}N_{4}+6H_{2}\!\uparrow + 6S}}

Ha ammóniát adunk a szilícium (IV)-kloridhoz , és argonáramban áthaladunk , szilícium-nitridet és ammónium-kloridot kapunk a kimeneten :

{\mathsf {3SiCl_{4}+16NH_{3}\ {\xrightarrow {t>400^{o}C}}\ Si_{3}N_{4}+12NH_{4}Cl}}

Két reakcióval is megszerezhető:

${\mathsf {SiCl_{4}+8NH_{3}\ {\xrightarrow {-50^{o}C))\ Si(NH_{2})_{4}+4NH_{4}Cl))$ - a reakció folyékony ammóniában megy végbe
${\mathsf {3Si(NH_{2})_{4}\ {\xrightarrow {t}}\ Si_{3}N_{4}+8NH_{3}\!\uparrow }}$ – a szilícium-tetraamid hőbomlása

Az anyag története

A szilícium-nitridot először 1857-ben Henri St. Clair Deville és Friedrich Wöhler szerezte be , de aktív ipari termelése csak az 1950-es években kezdődött. A természetben a Si 3 N 4 -et az 1990-es években meteoritok apró zárványaként találták meg , és Alfred Nier amerikai fizikusról nevezték el a niritről .

Jegyzetek

↑ 1 2 3 4 5 V. A. Gritsenko. A szilícium-nitrid elektronikus szerkezete // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 531-541 .
↑ Spark plazma szinterezés - Spark plazma szinterezés | TOKYO BOEKI . Hozzáférés dátuma: 2010. október 5. Az eredetiből archiválva : 2014. november 29. (határozatlan)
↑ 212. K.A. Saraikina, V.A. Shamanov Beton szórt megerősítése // Bulletin of PSTU. Urbanisztika. 2011. 2. sz.
↑ Az árucikkben eredetileg használt „ nitrálás ” kifejezés a szerves kémiában egy NO 2 csoport anyagba történő bejuttatására utal . A fémek vagy nemfémek nitrogénnel történő kinyerését (általában a felületen, de néha térfogatban) nitridálásnak , ritkábban nitridálásnak nevezik (a német Nitrierungból kölcsönözve).
↑ Szótár-kézikönyv az új kerámiáról / Shvedkov E. L., Kovensky I. I., Denisenko E. T., Zyrin A. V.; Ügyvezető szerkesztő Trefilov V. I. - Kijev: Naukova Dumka, 1991. - 280 p.