Nitrură de siliciu

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 16 decembrie 2016; verificările necesită 10 modificări .

nitrură de siliciu


General
Chim. formulă	Si 3 N 4
Proprietăți fizice
Stat	pudră gri inodoră
Masă molară	140,28 g/ mol
Densitate	3,44 g/cm³
Proprietati termice
Temperatura
• topirea	1900°C
Entalpie
• educaţie	-750 kJ/mol
Proprietati optice
Indicele de refracție	(588 nm) 2,02
Structura
Structură cristalină	hexagonal, trigonal, cubic
Clasificare
Reg. numar CAS	12033-89-5
PubChem	3084099
Reg. numărul EINECS	234-796-8
ZÂMBETE	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
Datele se bazează pe condiții standard (25 °C, 100 kPa), dacă nu este menționat altfel.
Fișiere media la Wikimedia Commons

Nitrura de siliciu ( tetranitrogen trisilicon ) este un compus chimic anorganic binar , care este un compus de siliciu și azot . Formula chimică este . ${\mathsf {Si_{3}N_{4)}}$

Proprietăți

Nitrura de siliciu are proprietăți mecanice și fizico -chimice utile pentru multe aplicații . Datorită legăturii cu nitrură de siliciu, proprietățile operaționale ale refractarelor pe bază de carbură de siliciu , periclază , forsterită etc. sunt îmbunătățite semnificativ. Refractarele cu nitrurură au rezistență ridicată la uzură și termică , au o rezistență excelentă la fisurare, precum și la acizi , alcalii . , topituri agresive si vapori de metal .

Fizic

Ceramica cu nitrură de siliciu are rezistență ridicată pe un interval larg de temperatură, conductivitate termică moderată , coeficient scăzut de dilatare termică , coeficient de elasticitate moderat ridicat și duritate neobișnuit de mare la rupere pentru o ceramică. Această combinație de proprietăți are ca rezultat o rezistență excelentă la șocuri termice , capacitatea de a rezista la sarcini mari la temperaturi ridicate, menținând în același timp o rezistență excelentă la uzură . Datorită greutății sale specifice scăzute, nitrura de siliciu cristalin este bine potrivită pentru protezele osoase umane [1] .

În comparație cu dioxidul de siliciu , nitrura în stare amorfă are o concentrație mai mare de capcane de electroni și găuri (aproximativ 10 19 cm −3 ), iar aceste capcane sunt relativ adânci (aproximativ 1,5 eV ). Acest lucru face posibilă utilizarea nitrurii de siliciu ca dispozitiv de memorie eficient: electronii și găurile injectate în ea sunt localizați (capturați) de capcane și pot rămâne în ele aproximativ 10 ani la o temperatură de 85 °C [1] .

De asemenea, în comparație cu oxidul, nitrura de siliciu are o constantă dielectrică mare (aproximativ 7, în timp ce SiO 2 are 3,9), deci este folosită într-o serie de dispozitive ca izolator [1] .

Chimic

Nitrura de siliciu nu interacționează cu acizii azotic , sulfuric și clorhidric , reacționează slab cu acidul fosforic și intens cu acidul fluorhidric . Descompus prin topituri de alcali , oxizi si carbonati ai metalelor alcaline . Nu interacționează cu clorul până la 900 °C, cu hidrogen sulfurat - până la 1000 °C, cu hidrogen - până la 1200 °C. Cu topituri Al , Pb , Sn , Zn , Bi , Cd , Cu - nu reacţionează; cu metale de tranziţie formează siliciuri , cu oxizi metalici peste 1200°C - silicaţi . Oxidarea nitrurii de siliciu în aer începe peste 900 °C.

Procesare

Produsele din nitrură de siliciu sunt obținute prin sinterizare la temperaturi ridicate, presare la cald, piroliza compușilor de siliciu. Produsele de înaltă calitate sunt obținute prin sinterizarea în instalații gaz-statice la presiune ridicată în prezența azotului .

Nitrura de siliciu este dificil de obținut ca un singur material datorită faptului că nu poate fi încălzită peste 1850 ° C - acesta este mult sub punctul de topire ( disociat de siliciu și azot ). Astfel, utilizarea metodei convenționale de sinterizare termică ( de exemplu, sinterizarea prin presa la cald ) este problematică. Lipirea nitrurii de siliciu sub formă de pulbere poate fi realizată la temperaturi mai scăzute prin adăugarea de materiale suplimentare, care de obicei îmbunătățesc nivelul de sinterizare. O alternativă este metoda de utilizare a sinterizării cu plasmă cu scânteie ( Spark Plasma Sintering ) [2] , unde încălzirea este foarte rapidă (în secunde); unde impulsurile de curent electric trec prin pulberea precomprimată. Prin această metodă s-au obținut produse dense din nitrură de siliciu la temperaturi de 1500–1700°C.

Proprietăți ale modificărilor cristaline

Atomi albaștri - azot, gri - siliciu
trigonal α-Si 3 N 4
hexagonal β-Si 3 N 4
cubic γ-Si 3 N 4

Există trei structuri cristalografice ale nitrurii de siliciu, numite α, β și γ. Fazele Α și β sunt cele mai comune forme de nitrură de siliciu și pot fi produse la presiune normală. Faza Γ poate fi sintetizată la presiuni și temperaturi ridicate și la o presiune de 35 GPa.

Α și β-Si 3 N 4 au structuri de singonie trigonală ( simbolul Pearson hP28, grup spațial P31c, nr. 159) și respectiv hexagonale (hP14, P6 3 , nr. 173), care sunt construite din unghiurile de schimb ale Si 3 N 4 tetraedre . Ele pot fi considerate ca structuri formate din straturi de atomi de siliciu și azot în secvența ABAB … sau ABBCABCB … în β-Si 3 N 4 și respectiv α-Si 3 N 4 . Stratul AB se repetă atât în faza α cât și în faza β, în timp ce CD cu AB pe planul de alunecare se repetă doar în faza α. Tetraedrele în Si 3 N 4 în formă β sunt interconectate astfel încât tunelurile să fie formate paralel cu axa celulei unitare. Datorită planului de alunecare, care este de la AB la CD, structura α conține goluri în loc de tuneluri. Forma cubică y- Si3N4 este adesea denumită „modificare c” în literatură, analogă cu modificarea cubică a nitrurii de bor (c-BN) . Forma Γ a nitrurii de siliciu are o structură spinel , în care fiecare doi atomi de siliciu se leagă de șase atomi de azot , formând un octaedru și un atom de siliciu se leagă de patru atomi de azot , formând un tetraedru.

O secvență mai lungă de stivuire are ca rezultat o fază α cu o duritate mai mare decât o fază β. Cu toate acestea, faza α este instabilă chimic în comparație cu faza β. La temperaturi ridicate, atunci când este încălzită la o fază lichidă , faza α se transformă în faza β. Astfel, β-Si 3 N 4 este principala formă utilizată în afacerea ceramică.

Proprietățile formelor α și β-Si 3 N 4 :

Pentru a- Si3N4 : a= 0,7765 nm, c=0,5622 nm, grupa spațială P31c;
Pentru p- Si3N4 : a= 0,7606 nm, c =0,2909 nm, grupa spaţială P63 /m.
α-Si 3 N 4 se transformă în forma β la temperaturi peste 1400 °C.

β-Si3N4 este stabil până la 1600 ° C ; nu se topește.

Proprietățile lui α-Si 3 N 4 :

Sublimează intens cu descompunere peste 1600 °C
Densitate : 3,192 g/cm³,
C° p : 93,01 J/(mol K),
ΔH ° arr : 787,8 kJ/mol,
S° 298 : 66,07 J/(mol K),
Conductivitate termica :
- 62,8 W/(m K) la 300 K;
- 20,0 W/(m K) la 1573 K,
Coeficient de temperatură de dilatare liniară : 3,4⋅10 −6 K −1 ,
Temperatura Debye : 1140 K,
Interval de bandă : 4,0 eV,
Constanta dielectrica : 6,3-7,1,
Tangenta unghiului de pierdere dielectrică : (5,3-9,7)⋅10 −3 ,
Duritate Vickers (încărcare 100 g):
- 45,3 GPa (structură a);
- 34,8-35,8 GPa (structură p),
Modulul de elasticitate : 298 GPa.

Utilizare

La crearea pieselor

Nitrura de siliciu este utilizată în principal în structurile în care sunt necesare rezistență ridicată și rezistență la temperaturi ridicate.

Este utilizat pentru fabricarea creuzetelor , elementelor de pompare, conductelor , duzelor pentru arzatoare cu gaz, suporturi bloc catalizator, carene de cap de aeronave , ferestre radio-transparente, ca material abraziv si izolant . Este utilizat, de exemplu, în crearea de piese pentru calea termică a motoarelor cu turbine cu gaz și a turbinelor cu gaz în sine , piese de motoare auto, rulmenți , prelucrarea metalelor și este utilizat pe scară largă în producția de ceramică, scule de tăiere, producția de materiale refractare . , etc. Refractarele cu nitrură de siliciu au rezistență ridicată la căldură și rezistență . Ele sunt utilizate ca parte integrantă a materialelor ablative de protecție termică , a materialelor refractare din carbură de siliciu , pentru materiale refractare rezistente la căldură, pentru conductoare metalice , dispozitive de turnare și dozare pentru metale neferoase.

Aplicații în electronică

Nitrura de siliciu, împreună cu oxidul de siliciu și oxinitrura de siliciu, este un material cheie în dispozitivele electronice cu siliciu [1] .

Filmele subțiri de nitrură de siliciu sunt cel mai adesea folosite ca strat izolator în electronica cu siliciu; Consolul cu nitrură de siliciu este partea de sondare a unui microscop cu forță atomică .

Nitrura de siliciu este adesea folosită ca izolator și barieră chimică în fabricarea circuitelor integrate .

Nitrura de siliciu este utilizată pe scară largă în dispozitivele de memorie flash ca mediu de stocare [1] .

Aplicații în construcții

Poate fi folosit ca fibră în betonul armat cu fibre (asemănător cu fibra de bazalt ) [3] .

Sinteză

Nitrurare directă [4] :

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

Nitrurarea termocarbonului :

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

Trecerea silanului în amoniac are ca rezultat nitrură de siliciu și hidrogen :

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

Trecerea diclorură-dihidrură de siliciu în amoniac dă nitrură de siliciu, clorură de hidrogen și hidrogen:

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

Depunere chimică de vapori ( CVD) [5] :

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

Adăugând amoniac la sulfura de siliciu, obținem nitrură de siliciu, hidrogen pur și sulf la ieșire :

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

Adăugând amoniac la clorură de siliciu (IV) , trecând într-un curent de argon , obținem nitrură de siliciu și clorură de amoniu la ieșire :

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

Poate fi obținut și făcând doar două reacții:

${\mathsf {SiCl_{4}+8NH_{3}\ {\xrightarrow {-50^{o}C))\ Si(NH_{2})_{4}+4NH_{4}Cl)}$ -reacţia are loc în amoniac lichid
${\mathsf {3Si(NH_{2})_{4}\ {\xrightarrow {t}}\ Si_{3}N_{4}+8NH_{3}\!\uparrow }}$ – descompunerea termică a tetraamidei de siliciu

Istoria materiei

Nitrura de siliciu a fost obținută pentru prima dată în 1857 de Henri St. Clair Deville și Friedrich Wöhler , dar producția sa industrială activă a început abia în anii 1950. În natură, Si 3 N 4 a fost găsit în anii 1990 ca o mică incluziune în meteoriți și a fost numit după nirit după fizicianul american Alfred Nier .

Note

↑ 1 2 3 4 5 V. A. Gritsenko. Structura electronică a nitrurii de siliciu // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 531-541 .
↑ Spark Plasma Sintering - Spark Plasma Sintering | TOKYO BOEKI . Data accesului: 5 octombrie 2010. Arhivat din original pe 29 noiembrie 2014. (nedefinit)
↑ 212. K.A. Saraikina, V.A. Shamanov Armarea betonului dispersat // Buletinul PSTU. Urbanistica. 2011. Nr. 2.
↑ Termenul „ nitrare ” utilizat inițial în articol este folosit în chimia organică pentru a se referi la introducerea unei grupări NO 2 într-o substanță. Obținerea de compuși ai unui metal sau nemetal cu azot (de obicei la suprafață, dar uneori în volum) se numește nitrurare , mai rar - nitrurare (împrumutat din germanul Nitrierung).
↑ Dicționar-carte de referință despre ceramica nouă / Shvedkov E. L., Kovensky I. I., Denisenko E. T., Zyrin A. V.; Redactor-șef Trefilov V. I. - Kiev: Naukova Dumka, 1991. - 280 p.