Nitrid křemíku

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 16. prosince 2016; kontroly vyžadují 10 úprav .

nitrid křemíku


Všeobecné
Chem. vzorec	Si3N4 _ _ _
Fyzikální vlastnosti
Stát	šedý prášek bez zápachu
Molární hmotnost	140,28 g/ mol
Hustota	3,44 g/cm³
Tepelné vlastnosti
Teplota
• tání	1900 °C
Entalpie
• vzdělávání	-750 kJ/mol
Optické vlastnosti
Index lomu	(588 nm) 2,02
Struktura
Krystalická struktura	šestihranný, trojhranný, krychlový
Klasifikace
Reg. Číslo CAS	12033-89-5
PubChem	3084099
Reg. číslo EINECS	234-796-8
ÚSMĚVY	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
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak.
Mediální soubory na Wikimedia Commons

Nitrid křemíku ( tetranitrogen trisilicon ) je binární anorganická chemická sloučenina , která je sloučeninou křemíku a dusíku . Chemický vzorec je . ${\displaystyle {\mathsf {Si_{3}N_{4))))$

Vlastnosti

Nitrid křemíku má mechanické a fyzikálně chemické vlastnosti užitečné pro mnoho aplikací . Díky vazbě z nitridu křemíku se výrazně zlepšují provozní vlastnosti žáruvzdorných materiálů na bázi karbidu křemíku , periklasu , forsteritu atd. Žáruvzdorné materiály pojené nitridem mají vysokou tepelnou odolnost a odolnost proti opotřebení , mají vynikající odolnost proti praskání, kyselinám , zásadám , agresivní taveniny a kovové výpary .

Fyzická

Keramika z nitridu křemíku má vysokou pevnost v širokém teplotním rozsahu, střední tepelnou vodivost , nízký koeficient tepelné roztažnosti , středně vysoký koeficient pružnosti a na keramiku neobvykle vysokou lomovou houževnatost. Tato kombinace vlastností má za následek vynikající odolnost proti tepelným šokům , schopnost odolávat vysokému zatížení při vysokých teplotách při zachování vynikající odolnosti proti opotřebení . Díky své nízké specifické hmotnosti se krystalický nitrid křemíku dobře hodí pro protetiku lidských kostí [1] .

Nitrid v amorfním stavu má ve srovnání s oxidem křemičitým vyšší koncentraci elektronových a děrových lapačů (asi 10 19 cm −3 ) a tyto lapače jsou poměrně hluboké (asi 1,5 eV ). To umožňuje použít nitrid křemíku jako efektivní paměťové zařízení: elektrony a do něj vstřikované díry jsou lokalizovány (zachycovány) pastmi a mohou v nich zůstat asi 10 let při teplotě 85 °C [1] .

Ve srovnání s oxidem má nitrid křemíku také vysokou dielektrickou konstantu (asi 7, zatímco SiO 2 má 3,9), takže se používá v řadě zařízení jako izolant [1] .

Chemické

Nitrid křemíku nereaguje s kyselinou dusičnou , sírovou a chlorovodíkovou , slabě reaguje s kyselinou fosforečnou a intenzivně s kyselinou fluorovodíkovou . Rozkládá se taveninami alkálií , oxidů a uhličitanů alkalických kovů . Neinteraguje s chlórem do 900 °C, se sirovodíkem - do 1000 °C, s vodíkem - do 1200 °C. S taveninami Al , Pb , Sn , Zn , Bi , Cd , Cu - nereaguje; s přechodnými kovy tvoří silicidy , s oxidy kovů nad 1200 °C - silikáty . Oxidace nitridu křemíku na vzduchu začíná nad 900 °C.

Zpracování

Produkty z nitridu křemíku se získávají slinováním za vysokých teplot, lisováním za tepla, pyrolýzou sloučenin křemíku. Vysoce kvalitní produkty se získávají slinováním v plyno-statických zařízeních pod vysokým tlakem v přítomnosti dusíku .

Nitrid křemíku je obtížné získat jako samostatný materiál, protože jej nelze zahřát nad 1850 °C - to je hluboko pod bodem tání ( křemík a dusík disociují ). Použití konvenční metody tepelného slinování ( anglicky hot press sintering ) je tedy problematické. Lepení práškového nitridu křemíku lze dosáhnout při nižších teplotách přidáním dalších materiálů, které obvykle zlepšují úroveň slinování. Alternativou je metoda využití jiskrového plazmového slinování ( Spark Plasma Sintering ) [2] , kde je ohřev velmi rychlý (v sekundách); kde pulzy elektrického proudu procházejí předlisovaným práškem. Touto metodou byly získány hutné produkty vyrobené z nitridu křemíku při teplotách 1500–1700 °C.

Vlastnosti krystalických modifikací

Modré atomy - dusík, šedé - křemík
trigonální α-Si 3 N 4
šestiúhelníkový β-Si 3 N 4
kubický γ - Si3N4 _

Existují tři krystalografické struktury nitridu křemíku, pojmenované α, β a γ. Fáze Α a β jsou nejběžnější formy nitridu křemíku a lze je vyrábět za normálního tlaku. Fáze Γ může být syntetizována při vysokých tlacích a teplotách a při tlaku 35 GPa.

Α a β-Si 3 N 4 mají trigonální syngonii ( Pearsonův symbol hP28, prostorová grupa P31c, č. 159) a hexagonální (hP14, P6 3 , č. 173) struktury, které jsou konstruovány z výměnných úhlů Si3N4 tetraedry . _ _ _ Lze je považovat za struktury sestávající z vrstev atomů křemíku a dusíku v sekvenci ABAB … nebo ABBCABCB … v β-Si 3 N 4 a α-Si 3 N 4 , v tomto pořadí. Vrstva AB se opakuje ve fázi α i β, zatímco CD s AB na skluzové rovině se opakuje pouze ve fázi α. Tetraedry v Si 3 N 4 v β formě jsou propojeny tak, že tunely jsou vytvořeny rovnoběžně s osou základní buňky. Kvůli skluzové rovině, která je od AB k CD, obsahuje struktura α místo tunelů dutiny. Kubická γ-Si 3N 4 forma je v literatuře často označována jako "c-modifikace", analogicky ke kubické modifikaci nitridu boru (c-BN). Γ -forma nitridu křemíku má spinelovou strukturu , ve které se každé dva atomy křemíku vážou k šesti atomům dusíku , tvoří oktaedr , a jeden atom křemíku se váže ke čtyřem atomům dusíku , čímž tvoří čtyřstěn.

Delší sekvence stohování vede k α-fázi s vyšší tvrdostí než β-fáze. Fáze α je však ve srovnání s fází β chemicky nestabilní. Při vysokých teplotách, když se zahřeje na kapalnou fázi , se α-fáze přemění na β-fázi. Proto je β-Si 3 N 4 hlavní formou používanou v keramickém průmyslu.

Vlastnosti forem α a β-Si 3 N 4 :

Pro a-Si3N4 : a = 0,7765 nm, c=0,5622 nm, prostorová skupina P31c;
Pro p-Si3N4 : a = 0,7606 nm, c =0,2909 nm, prostorová grupa P63 /m.
α-Si 3 N 4 se přeměňuje na β-formu při teplotách nad 1400 °C.

β-Si 3N 4 je stabilní až do 1600 °C; netaje.

Vlastnosti α-Si 3 N 4 :

Intenzivně sublimuje při rozkladu nad 1600 °C
Hustota : 3,192 g/cm³,
C° p : 93,01 J/ (mol K),
ΔH ° arr : 787,8 kJ/mol,
S° 298 : 66,07 J/(mol K),
Tepelná vodivost :
- 62,8 W/(mK) při 300 K;
- 20,0 W/(mK) při 1573 K,
Teplotní koeficient lineární roztažnosti : 3,4⋅10 −6 K −1 ,
Debyeova teplota : 1140 K,
Pásmová mezera : 4,0 eV,
Dielektrická konstanta : 6,3-7,1,
Úhel dielektrické ztráty tangens : (5,3-9,7)⋅10 −3 ,
Tvrdost podle Vickerse (zátěž 100 g):
- 45,3 GPa (a-struktura);
- 34,8-35,8 GPa (β-struktura),
Modul pružnosti : 298 GPa.

Použití

Při vytváření dílů

Nitrid křemíku se používá především v konstrukcích, kde je vyžadována vysoká pevnost a odolnost vůči vysokým teplotám.

Používá se k výrobě kelímků , čerpacích prvků, potrubí , trysek plynových hořáků, nosičů bloku katalyzátorů, aerodynamických krytů letadel , radiotransparentních oken, jako abrazivní a izolační materiál . Používá se například při tvorbě dílů pro tepelnou dráhu plynových turbínových motorů i samotných plynových turbín , dílů automobilových motorů, ložisek , kovoobrábění a má široké uplatnění při výrobě keramiky, řezných nástrojů, výrobě žáruvzdorných materiálů , atd. Žáruvzdorné materiály s nitridem křemíku mají vysokou tepelnou odolnost a pevnost . Používají se jako nedílná součást tepelně stínících ablačních materiálů , žáruvzdorných materiálů z karbidu křemíku , pro žáruvzdorné žáruvzdorné materiály, pro kovové vodiče , nalévací a dávkovací zařízení pro neželezné kovy.

Aplikace v elektronice

Nitrid křemíku je spolu s oxidem křemíkem a oxynitridem křemíku klíčovým materiálem v elektronických zařízeních křemíku [1] .

Tenké vrstvy nitridu křemíku se nejčastěji používají jako izolační vrstva v křemíkové elektronice; Konzola z nitridu křemíku je snímací částí mikroskopu atomárních sil .

Nitrid křemíku se také často používá jako izolant a chemická bariéra při výrobě integrovaných obvodů .

Nitrid křemíku je široce používán ve flash paměťových zařízeních jako paměťové médium [1] .

Aplikace ve stavebnictví

Lze použít jako vlákno do vláknobetonu (podobně jako čedičové vlákno ) [3] .

Syntéza

Přímá nitridace [4] :

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

Termokarbonová nitridace :

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

Při průchodu silanu v amoniaku vzniká nitrid křemíku a vodík :

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

Průchodem dichloridu křemičitého v amoniaku se získá nitrid křemíku, chlorovodík a vodík:

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

Chemická depozice z plynné fáze ( CVD) [5] :

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

Přidáním amoniaku do sulfidu křemíku získáme na výstupu nitrid křemíku, čistý vodík a síru :

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

Přidáním amoniaku do chloridu křemičitého (IV) , průchodem v proudu argonu , získáme na výstupu nitrid křemíku a chlorid amonný :

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

Lze jej také získat provedením pouze dvou reakcí:

${\mathsf {SiCl_{4}+8NH_{3}\ {\xrightarrow {-50^{o}C))\ Si(NH_{2})_{4}+4NH_{4}Cl))$ - reakce probíhá v kapalném čpavku
${\mathsf {3Si(NH_{2})_{4}\ {\xarrowarrow {t}}\ Si_{3}N_{4}+8NH_{3}\!\uparrow }}$ – tepelný rozklad křemíku tetraamidu

Historie hmoty

Nitrid křemíku poprvé získali v roce 1857 Henri St. Clair Deville a Friedrich Wöhler , ale jeho aktivní průmyslová výroba začala až v 50. letech 20. století. V přírodě byl Si 3 N 4 nalezen v 90. letech 20. století jako malá součást meteoritů a byl pojmenován po niritu po americkém fyzikovi Alfredu Nierovi .

Poznámky

↑ 1 2 3 4 5 V. A. Gritsenko. Elektronová struktura nitridu křemíku // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 531-541 .
↑ Jiskrové plazmové slinování - Jiskrové plazmové slinování | TOKYO BOEKI . Datum přístupu: 5. října 2010. Archivováno z originálu 29. listopadu 2014. (neurčitý)
↑ 212. K.A. Saraikina, V.A. Shamanov Dispergovaná výztuž betonu // Bulletin PSTU. Urbanistika. 2011. č. 2.
↑ Termín „ nitrace “ původně použitý v článku se používá v organické chemii k označení zavedení skupiny NO 2 do látky. Získávání sloučenin kovu nebo nekovu s dusíkem (obvykle na povrchu, ale někdy v objemu) se nazývá nitridace , méně často - nitridace (vypůjčeno z německého Nitrierung).
↑ Slovník-příručka o nové keramice / Shvedkov E. L., Kovenský I. I., Denisenko E. T., Zyrin A. V.; Vedoucí redaktor Trefilov V. I. - Kyjev: Naukova Dumka, 1991. - 280 s.