Полиморфные модификации карбида кремния

Многие составные материалы обладают полиморфизмом , то есть они могут существовать в различных структурах, называемых полиморфами. Карбид кремния (SiC) уникален в этом отношении, поскольку более 250 полиморфов карбида кремния . к 2006 году было идентифицировано ^{[ 1 ]} при этом некоторые из них имеют постоянную решетки до 301,5 нм, что примерно в тысячу раз превышает обычный шаг решетки SiC. ^{[ 2 ]}

Полиморфные модификации SiC включают различные аморфные фазы, наблюдаемые в тонких пленках и волокнах. ^{[ 3 ]} а также большое семейство подобных кристаллических структур, называемых политипами . Это вариации одного и того же химического соединения , идентичные в двух измерениях и различающиеся в третьем. Таким образом, их можно рассматривать как слои, расположенные в определенной последовательности. Атомы этих слоев могут быть расположены в трех конфигурациях: A, B или C, чтобы добиться плотнейшей упаковки. Последовательность укладки этих конфигураций определяет кристаллическую структуру, где элементарная ячейка представляет собой кратчайшую периодически повторяющуюся последовательность последовательности укладки. Это описание не уникально для SiC, но также применимо и к другим бинарным тетраэдрическим материалам, таким как оксид цинка и сульфид кадмия .

Классификация политипов

Для каталогизации огромного количества возможных политипных кристаллических структур была разработана сокращенная версия: давайте определим три двухслойные структуры SiC (то есть 3 атома с двумя связями между ними на иллюстрациях ниже) и обозначим их как A, B и C. Элементы A и B не меняют ориентацию бислоя (за исключением возможного поворота на 120°, который не меняет решетку и в дальнейшем не учитывается); единственная разница между A и B — это сдвиг решетки. Однако элемент C скручивает решетку на 60°.

Структура основных политипов SiC.
2H-SiC
4H-SiC
6H-SiC

Используя эти элементы A,B,C, мы можем построить любой политип SiC. Выше показаны примеры гексагональных политипов 2H, 4H и 6H, как они были бы записаны в обозначениях Рамсделла , где число указывает слой, а буква указывает на решетку Браве. ^{[ 4 ]} Структура 2H-SiC эквивалентна структуре вюрцита и состоит только из элементов A и B, сложенных в виде ABABAB. Элементарная ячейка 4H-SiC в два раза длиннее, а вторая половина скручена по сравнению с 2H-SiC, что приводит к укладке ABCB. Ячейка 6H-SiC в три раза длиннее, чем у 2H, а последовательность укладки — ABCACB. Кубический 3C-SiC, также называемый β-SiC, имеет ABC-укладку. ^{[ 5 ]}

Физические свойства

Различные политипы обладают широким спектром физических свойств. 3C-SiC имеет самую высокую подвижность электронов и скорость насыщения из-за уменьшенного рассеяния фононов в результате более высокой симметрии . Ширина запрещенной зоны сильно различается среди политипов: от 2,3 эВ для 3C-SiC до 3 эВ в 6H-SiC и до 3,3 эВ для 2H-SiC. В общем, чем больше вюрцитного компонента, тем больше запрещенная зона. Среди политипов SiC 6H легче всего получить и лучше всего изучить, тогда как политипы 3C и 4H привлекают больше внимания своими превосходными электронными свойствами. Политипизм SiC делает выращивание однофазного материала нетривиальным, но он также предлагает некоторые потенциальные преимущества - если методы выращивания кристаллов будут достаточно развиты, то гетеропереходы различных политипов SiC можно будет приготовить и применить в электронных устройствах. ^{[ 5 ]}

Краткое описание политипов

Все символы в структурах SiC имеют определенное значение: цифра 3 в 3C-SiC относится к трехбислойной периодичности укладки (ABC), а буква C обозначает кубическую симметрию кристалла. 3C-SiC — единственно возможный кубический политип. Последовательность упаковки вюрцита ABAB... обозначается как 2H-SiC, что указывает на ее двухбислойную периодичность упаковки и гексагональную симметрию. Эта периодичность удваивается и утраивается в политипах 4H- и 6H-SiC. Семейство ромбоэдрических политипов обозначается R, например, 15R-SiC.

Свойства основных политипов SiC ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} «Z» — количество атомов в элементарной ячейке, «SgNo» — номер пространственной группы, a и c — постоянные решетки.
Политип	Космическая группа	С	Символ Пирсона	СгНет	а ( Å )	в ( Å )	запрещенная зона ( эВ )	Шестиугольность (%)
3С	Т ²_д -Ф43м	2	cF8	216	4.3596	4.3596	2.3	0
2ч	С ⁴_6в - _3мкм P6	4	HP4	186	3.0730	5.0480	3.3	100
4 часа	С ⁴_6в - _3мкм P6	8	HP8	186	3.0730	10.053	3.2	50
6Ч	С ⁴_6в - _3мкм P6	12	HP12	186	3.0730	15.11	3.0	33.3
8Ч	С ⁴_6в - _3мкм P6	16	HP16	186	3.0730	20.147	2.86	25
10 ч.	P3m1	10	HP20	156	3.0730	25.184	2.8	20
19ч.	P3m1	19	hP38	156	3.0730	47.8495
21 час	P3m1	21	hP42	156	3.0730	52.87
27 ч.	P3m1	27	hP54	156	3.0730	67.996
36 ч.	P3m1	36	hP72	156	3.0730	90.65
9Р	не найдено	9	чР18	160	3.073			66.6
15Р	С ⁵_3в -R3м	15	30 часов	160	3.073	37.7	3.0	40
21Р	С ⁵_3в -R3м	21	HR42	160	3.073	52.89	2.85	28.5
24Р	С ⁵_3в -R3м	24	HR48	160	3.073	60.49	2.73	25
27Р	С ⁵_3в -R3м	27	HR54	160	3.073	67.996	2.73	44
33Р	С ⁵_3в -R3м	33	HR66	160	3.073	83.11		36.3
45р	С ⁵_3в -R3м	45	чР90	160	3.073	113.33		40
51Р	С ⁵_3в -R3м	51	HR102	160	3.073	128.437		35.3
57Р	С ⁵_3в -R3м	57	HR114	160	3.073	143.526
66Р	С ⁵_3в -R3м	66	HR132	160	3.073	166.188		36.4
75р	С ⁵_3в -R3м	75	150 часов	160	3.073	188.88
84Р	С ⁵_3в -R3м	84	HR168	160	3.073	211.544
87Р	С ⁵_3в -R3м	87	HR174	160	3.073	219.1
93Р	С ⁵_3в -R3м	93	HR186	160	3.073	234.17
105р	С ⁵_3в -R3м	105	HR210	160	3.073	264.39
111Р	С ⁵_3в -R3м	111	HR222	160	3.073	279.5
120р	С ⁵_3в -R3м	120	240 часов	160	3.073	302.4
141Р	С ⁵_3в -R3м	141	HR282	160	3.073	355.049
189р	С ⁵_3в -R3м	189	HR378	160	3.073	476.28
393р	С ⁵_3в -R3м	393	HR786	160	3.073	987.60

См. также

Волокна карбида кремния

Ссылки

^ Ребекка Чунг (2006). Карбидокремниевые микроэлектромеханические системы для суровых условий эксплуатации . Издательство Имперского колледжа. п. 3. ISBN 1-86094-624-0 .
^ Дж. Ф. Келли; и др. (2005). «Корреляция между толщиной слоя и периодичностью длинных политипов в карбиде кремния» (PDF) . Бюллетень исследования материалов . 40 (2): 249–255. doi : 10.1016/j.materresbull.2004.10.008 .
^ Лейн, Ричард М. (1993). «Путь прекерамического полимера к карбиду кремния». Химия материалов . 5 (3): 260–279. дои : 10.1021/cm00027a007 .
^ Рамсделл, Л.С., Исследования карбида кремния , Am. Минерал. 32, (1945), с. 64–82
^ Перейти обратно: ^а ^б Моркоч, Х. (1994). «Технологии полупроводниковых устройств на основе SiC с большой запрещенной зоной, нитридов III-V и ZnSe II-VI». Журнал прикладной физики . 76 (3): 1363–1398. Бибкод : 1994JAP....76.1363M . дои : 10.1063/1.358463 .
^ «Свойства карбида кремния (SiC)» . Институт Иоффе . Проверено 6 июня 2009 г.
^ Пак Юн Су, Уиллардсон, Эйке Р. Вебер (1998). SiC материалы и устройства . Академическая пресса. стр. 1–18. ISBN 0-12-752160-7 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ С. Адачи (1999). Оптические константы кристаллических и аморфных полупроводников: численные данные и графическая информация . Спрингер. ISBN 0-7923-8567-5 .
^ У. Дж. Чойк; Хироюки Мацунами; Герхард Пенсл (2003). Карбид кремния: последние крупные достижения . Спрингер. п. 430. ИСБН 3-540-40458-9 .
^ Накашима, С. (1991). «Профили интенсивности комбинационного рассеяния света и структура упаковки в политипах SiC». Твердотельные коммуникации . 80 (1): 21–24. Бибкод : 1991SSCom..80...21N . дои : 10.1016/0038-1098(91)90590-R .

Внешние ссылки

Краткая история карбида кремния Доктор Дж. Ф. Келли, Лондонский университет
Паспорт безопасности материала для карбида кремния

[1] Ребекка Чунг (2006). Карбидокремниевые микроэлектромеханические системы для суровых условий эксплуатации . Издательство Имперского колледжа. п. 3. ISBN 1-86094-624-0 .

[2] Дж. Ф. Келли; и др. (2005). «Корреляция между толщиной слоя и периодичностью длинных политипов в карбиде кремния» (PDF) . Бюллетень исследования материалов . 40 (2): 249–255. doi : 10.1016/j.materresbull.2004.10.008 .

[3] Лейн, Ричард М. (1993). «Путь прекерамического полимера к карбиду кремния». Химия материалов . 5 (3): 260–279. дои : 10.1021/cm00027a007 .

[4] Рамсделл, Л.С., Исследования карбида кремния , Am. Минерал. 32, (1945), с. 64–82

[jap-5] Перейти обратно: ^а ^б Моркоч, Х. (1994). «Технологии полупроводниковых устройств на основе SiC с большой запрещенной зоной, нитридов III-V и ZnSe II-VI». Журнал прикладной физики . 76 (3): 1363–1398. Бибкод : 1994JAP....76.1363M . дои : 10.1063/1.358463 .

[ioffe-6] «Свойства карбида кремния (SiC)» . Институт Иоффе . Проверено 6 июня 2009 г.

[prop-7] Пак Юн Су, Уиллардсон, Эйке Р. Вебер (1998). SiC материалы и устройства . Академическая пресса. стр. 1–18. ISBN 0-12-752160-7 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[8] С. Адачи (1999). Оптические константы кристаллических и аморфных полупроводников: численные данные и графическая информация . Спрингер. ISBN 0-7923-8567-5 .

[9] У. Дж. Чойк; Хироюки Мацунами; Герхард Пенсл (2003). Карбид кремния: последние крупные достижения . Спрингер. п. 430. ИСБН 3-540-40458-9 .

[10] Накашима, С. (1991). «Профили интенсивности комбинационного рассеяния света и структура упаковки в политипах SiC». Твердотельные коммуникации . 80 (1): 21–24. Бибкод : 1991SSCom..80...21N . дои : 10.1016/0038-1098(91)90590-R .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]