Nitruro di silicio | |
Piastrella in nitruro di silicio sinterizzato | |
Identificazione | |
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N o CAS | |
N o ECHA | 100.031.620 |
N o CE | 234-796-8 |
N o RTECS | VW0650000 |
PubChem | 3084099 |
SORRISI |
N12 [Si] 34N5 [Si] 16N3 [Si] 25N46 , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / N4Si3 / c1-5-2-6 (1) 3 (5) 7 (1,2) 4 (5) 6 Std. InChIKey: HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N |
Aspetto | Solido cristallizzato |
Proprietà chimiche | |
Formula bruta |
N 4 Se 3 |
Massa molare | 140,2833 ± 0,0017 g / mol N 39,94%, Si 60,06%, |
Proprietà fisiche | |
T ° fusione | 1900 ° C (decomposizione) |
Massa volumica |
3,2 g · cm da -3 a 20 ° C 3,44 g · mL da -1 a 25 ° C |
Unità di SI e STP se non diversamente specificato. | |
Il nitruro di silicio è un composto chimico di formula If 3 N 4. È noto nel suo stato naturale (un minerale chiamato nierite ) dal 1995, sotto forma di piccole inclusioni in alcuni meteoriti .
È una ceramica bianca piuttosto leggera (da 3,2 a 3,5 g / cm 3 a seconda della compattezza del materiale), molto dura (8,5 sulla scala di Mohs ), relativamente inerte chimicamente (attaccata dall'acido fluoridrico HF diluito e acido solforico H 2 COSÌ 4caldo), e rimane fino termicamente stabile a 1300 ° C .
Esistono altre stechiometrie , come Si 2 N 3, SiN e Si 2 N, ma sono termodinamicamente molto meno stabili e quindi hanno molta meno importanza industriale; è generalmente al composto Si 3 N 4 tale riferimento viene fatto quando si parla di nitruro di silicio senza ulteriore precisione.
Conosciamo tre polimorfi di nitruro di silicio Si 3 N 4 : una fase α, trigonale ; una fase β, esagonale ; una fase γ, cubica . Teoricamente, esiste una fase δ ortorombica , ma non è mai stata osservata sperimentalmente. Le prime due fasi sono le più comuni e possono essere prodotte a pressione normale, mentre la terza si ottiene solo ad alta pressione e temperatura, e ha una durezza di 35 GPa . Nelle rappresentazioni seguenti, gli atomi di silicio sono in grigio e gli atomi di azoto sono in blu:
La fase β è più stabile della fase α e quest'ultima si converte sempre nella fase β ad alta temperatura in presenza di una fase liquida. Questo è il motivo per cui la fase β è la principale forma di nitruro di silicio utilizzato per produrre ceramiche.
È difficile ottenere una ceramica solida al nitruro di silicio perché questo materiale non può essere riscaldato a più di 1850 ° C senza dissociarsi in silicio e azoto , prima che possa raggiungere il punto di fusione . È quindi difficile implementare le consuete tecniche di sinterizzazione a pressione. È quindi necessario ricorrere a leganti che consentono di ottenere una certa quantità di fase liquida. È anche possibile utilizzare tecniche di sinterizzazione flash durante le quali il riscaldamento è molto rapido (pochi secondi) facendo circolare brevemente una corrente attraverso la polvere compattata: questa tecnica ha permesso di ottenere ceramiche compatte di nitruro di silicio. A temperature comprese tra 1500 e 1700. ° C . Funzionando dalla polvere di nitruro di silicio ottenuto per esempio facendo reagire silicio puro con l' azoto di 1000 a 1400 ° C . La sinterizzazione avviene sotto una pressione di azoto di 200 MPa per eliminare la porosità. A tale pressione è formato dal nitruro di silicio cubico (fase γ), la densità può raggiungere i 3,9 g · cm -3 , le fasi α e β hanno invece una densità di circa 3,2 g · cm -3 .
Nitruro di silicio ottenuto riscaldando una polvere di silicio compresa tra 1300 e 1400 ° C sotto un'atmosfera di azoto :
3 Si + 2 N 2→ Se 3 N 4.La massa del campione di silicio aumenta gradualmente man mano che l'azoto si attacca al materiale per formare il nitruro . In assenza di un catalizzatore a base di ferro , la reazione termina dopo alcune ore (circa sette ore), che viene identificata quando la massa del campione di silicio smette di crescere, indicando che l'azoto ha smesso di legarsi al silicio. Oltre a Si 3 N 4, si formano varie altre fasi di nitruro di silicio, come mononitruro di disilicio Si 2 N, gassoso, mononitruro di silicio SiN e seschinitruro di silicio Si 2 N 3, ciascuna corrispondente ad una fase stechiometrica . Come nel caso di altri materiali refrattari , i prodotti ottenuti da questi processi ad alta temperatura dipendono dalle condizioni di reazione (tempo, temperatura, prodotti di partenza, eventuali coadiuvanti, materiali del contenitore, ecc. ) Nonché dalla modalità di purificazione. L'esistenza del sequinitruro di silicio Si 2 N 3 è stato tuttavia messo in discussione.
Il nitruro di silicio può anche essere preparato mediante la diimmide Si (NH) 2 :
SiCl 4+ 6 NH 3→ Si (NH) 2+ 4 NH 4 Cl (s)a 0 ° C 3 Si (NH) 2→ Se 3 N 4+ N 2+ 3 H 2 (g)a 1000 ° C .La riduzione carbotermica del biossido di silicio SiO 2in un'atmosfera di azoto N 2da 1.400 a 1.450 ° C è stato anche studiato:
3 SiO 2+ 6 C + 2 N 2→ Se 3 N 4+ 6 CO .La nitrurazione di una polvere di silicio è stata sviluppata negli anni '50 in seguito alla "riscoperta" del nitruro di silicio. Tuttavia, una purezza insufficiente del silicio ha provocato la contaminazione del nitruro di silicio con silicati e ferro . La decomposizione diimmide dà un nitruro di silicio amorfo che richiede la successiva ricottura sotto un'atmosfera di azoto compresa tra 1400 e 1500 ° C per dare un materiale cristallino . Questo processo è diventato il secondo più importante per la produzione industriale di nitruro di silicio. La riduzione carbotermica è stato il primo metodo utilizzato per la produzione di nitruro di silicio e ora considerato il processo industriale più economico per ottenere polvere di nitruro di silicio di elevata purezza.
I sottili strati di nitruro di silicio di grado elettronico sono ottenuti per deposizione chimica da vapore ( CVD ) o una sua variante come deposizione chimica da vapore, plasma migliorato ( PECVD ):
3 SiH 4 (g)+ 4 NH 3 (g)→ Se 3 N 4 (s)+ 12 H 2 (g)da 750 a 850 ° C 3 SiCl 4 (g)+ 4 NH 3 (g)→ Se 3 N 4 (s)+ 12 HCl (g) 3 SiCl 2 H 2 (g)+ 4 NH 3 (g)→ Se 3 N 4 (s)+ 6 HCl (g)+ 6 H 2 (g).Per la crescita di strati di nitruro di silicio su un substrato semiconduttore , possono essere utilizzati due metodi:
Il nitruro di silicio ha un parametro cristallino diverso dal silicio. Ciò può generare stress sulla rete a seconda del metodo di crescita utilizzato. In particolare è possibile ridurre questi vincoli regolando i parametri di crescita tramite PECVD.
Dei nanofili il nitruro di silicio può essere prodotto mediante processo sol-gel consistente in una riduzione carbotermica seguita dalla nitrurazione del gel di silice , che contiene particelle di carbonio ultrafini. Queste particelle possono provenire dalla decomposizione di glucosio da 1200 a 1350 ° C . Le possibili reazioni sintetiche sono:
SiO 2 (s)+ C (s)→ SiO (g)+ CO (g) e ( 3 SiO (g)+ 2 N 2 (g)+ 3 CO (g)→ Se 3 N 4 (s)+ 3 CO 2 (g) o 3 SiO (g)+ 2 N 2 (g)+ 3 C (s)→ Se 3 N 4 (s)+ 3 CO (g) ) .Le applicazioni del nitruro di silicio si svilupparono lentamente a causa del costo inizialmente elevato di questo materiale. Poiché questo costo è diminuito dagli anni '90 , il nitruro di silicio sta ora sperimentando un numero crescente di applicazioni industriali.
Il nitruro di silicio trova una delle sue principali applicazioni nell'industria automobilistica come materiale per parti di motori . Nei motori diesel si tratta in particolare di candelette , per avviamenti più rapidi; camere di pre-combustione, per ridurre le emissioni, velocizzare l'avviamento e ridurre la rumorosità; di turbocompressori per ridurre i ritardi e le emissioni del motore. Nei motori a benzina , il nitruro di silicio viene utilizzato per i cuscinetti dei bilancieri per limitare l'usura; nei turbocompressori, per ridurre l'inerzia e il rallentamento del motore; nelle valvole di controllo dei gas di scarico per migliorare l'accelerazione.
I cuscinetti a sfere in nitruro di silicio possono essere interamente ceramici o ibridi, in questo caso con sfere in ceramica e percorsi in acciaio. Le sfere in nitruro di silicio hanno una buona resistenza agli urti rispetto ad altre ceramiche. Pertanto, i cuscinetti a sfere in nitruro di silicio vengono utilizzati per applicazioni ad alte prestazioni. Questo è ad esempio il caso dei motori principali dello space shuttle della NASA .
Poiché le sfere in nitruro di silicio sono più dure di quelle in metallo, questo riduce il contatto con la pista del cuscinetto. Rispetto ai cuscinetti meccanici tradizionali, ciò si traduce in una riduzione dell'80% dell'attrito, una durata estesa da tre a dieci volte, una velocità superiore dell'80%, un peso ridotto del 60%, la possibilità di fare a meno di lubrificanti, una maggiore resistenza alla corrosione e un maggiore funzionamento temperatura. Le sfere in nitruro di silicio hanno una massa ridotta del 79% rispetto alle sfere in carburo di tungsteno . I cuscinetti a sfere in nitruro di silicio si trovano nelle automobili di fascia alta, nei cuscinetti industriali, nelle turbine eoliche , negli sport motoristici , nelle biciclette , nei pattini in linea e negli skateboard . I cuscinetti in nitruro di silicio sono particolarmente utili nelle applicazioni in cui la corrosione o i campi elettrici o magnetici impediscono l'uso di metalli .
Anche se i costi di produzione di nitruro di silicio sono sostanzialmente diminuito dal XX ° secolo, cuscinetti Si 3 N 4 rimangono da due a cinque volte più costosi dei migliori cuscinetti in acciaio, e sono le loro qualità meccaniche particolarmente vantaggiose a guidarne la crescente adozione, sebbene ancora limitata per le applicazioni di consumo.
Il nitruro di silicio è stato a lungo utilizzato in applicazioni ad alta temperatura. In particolare, è stato identificato come uno dei pochi materiali ceramici monolitici in grado di resistere ai violenti shock termici e ai gradienti di temperatura estremamente elevati dei motori a razzo operanti con propellente liquido LOX / LH2 . Queste proprietà sono state misurate dagli ingegneri della NASA sottoponendo un ugello monolitico al nitruro di silicio a cinque cicli di combustione H 2 .in O 2comprendente un ciclo di cinque minuti a 1320 ° C .
Nel 2010, gli ugelli della navicella spaziale Akatsuki di JAXA erano costituiti principalmente da nitruro di silicio.
Il nitruro di silicio viene spesso utilizzato come isolante elettrico e barriera chimica nella produzione di circuiti integrati , per isolare elettricamente diverse strutture o come maschera di incisione nella microlavorazione di massa. Le sue proprietà come strato di passivazione per micro circuiti integrati sono migliori di quelle del biossido di silicio SiO 2perché è una migliore barriera alla diffusione contro le molecole d'acqua di H 2 O.e ioni sodio Na + , due principali fonti di corrosione e degradazione nella microelettronica . Viene anche utilizzato come dielettrico tra gli strati di polisilicio nel condensatore per l' elettronica analogica .
Il nitruro di silicio con deposizione chimica da vapore a bassa pressione ( LPCVD ) contiene fino all'8% di idrogeno . Resiste anche a sollecitazioni elevate che possono rompere film sottili di spessore superiore a 200 nm . Tuttavia, ha resistività e rigidità dielettrica maggiori di quelle della maggior parte degli isolanti generalmente disponibili in microfabbricazione (rispettivamente 10 16 Ω · cm e 10 MV · cm -1 ).
Oltre al nitruro di silicio, ci sono vari composti ternari di silicio , azoto e idrogeno (SiN x H y) che vengono utilizzati come strati isolanti. Vengono depositati dal plasma attraverso le seguenti reazioni:
2 SiH 4 (g)+ N 2 (g)→ 2 SiNH (s)+ 3 H 2 (g) ; SiH 4 (g)+ NH 3 (g)→ SiNH (s)+ 3 H 2 (g).Questi strati sottili hanno sollecitazioni meccaniche SiNH molto inferiori a quelle del nitruro di silicio, ma proprietà elettriche meno desiderabili (resistività da 10 6 a 10 15 Ω · cm e rigidità dielettrica da 1 a 5 MV · cm -1 ).
Grazie alle sue buone proprietà elastiche, il nitruro di silicio è uno dei materiali più comunemente utilizzati, insieme al silicio e all'ossido di silicio, nei cantilever dei microscopi a forza atomica .
La prima applicazione su larga scala del nitruro di silicio è stata negli abrasivi e negli utensili da taglio. Il nitruro di silicio monolitico solido viene utilizzato negli utensili da taglio grazie alla sua durezza , stabilità termica e resistenza all'usura. È particolarmente indicato per la lavorazione ad alta velocità della ghisa . La sua durezza a caldo, tenacità e resistenza agli shock termici permette di utilizzare il corpo sinterizzato in nitruro di silicio per il taglio di ghisa, acciaio e leghe di nichel con velocità 25 volte superiori rispetto ai materiali convenzionali come il carburo di tungsteno . L'uso di utensili da taglio in nitruro di silicio ha un effetto drammatico sulla produzione. Il rivestimento in ghisa grigia con utensili in nitruro di silicio ha raddoppiato la velocità di taglio, aumentato di sei volte la durata di questi utensili e ridotto il loro costo medio del 50% rispetto a quelli realizzati in carburo di tungsteno.
Il nitruro di silicio ha molte applicazioni ortopediche. È anche un'alternativa al polietereterchetone ( PEEK ) e al titanio , utilizzati per i dispositivi di fusione spinale . È la superficie microstrutturata idrofila di nitruro di silicio che contribuisce alla resistenza, durata e affidabilità del materiale rispetto al PEEK e al titanio.