Siliciumnitrid

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 16. december 2016; checks kræver 10 redigeringer .

siliciumnitrid


Generel
Chem. formel	Si3N4 _ _ _
Fysiske egenskaber
Stat	gråt lugtfrit pulver
Molar masse	140,28 g/ mol
Massefylde	3,44 g/cm³
Termiske egenskaber
Temperatur
• smeltning	1900°C
Entalpi
• uddannelse	-750 kJ/mol
Optiske egenskaber
Brydningsindeks	(588 nm) 2,02
Struktur
Krystal struktur	sekskantet, trigonalt, kubisk
Klassifikation
Reg. CAS nummer	12033-89-5
PubChem	3084099
Reg. EINECS nummer	234-796-8
SMIL	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
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet.
Mediefiler på Wikimedia Commons

Siliciumnitrid ( tetranitrogen trisilicium ) er en binær uorganisk kemisk forbindelse , som er en forbindelse af silicium og nitrogen . Den kemiske formel er . ${\displaystyle {\mathsf {Si_{3}N_{4))))$

Egenskaber

Siliciumnitrid har mekaniske og fysisk-kemiske egenskaber, der er nyttige til mange anvendelser . På grund af siliciumnitridbindingen forbedres de operationelle egenskaber af ildfaste materialer baseret på siliciumcarbid , periklase , forsterit osv.. Nitridbundne ildfaste materialer har høj termisk og slidstyrke , har fremragende modstandsdygtighed over for revnedannelse, såvel som over for syrer , alkalier , aggressive smelter og metaldampe .

Fysisk

Siliciumnitridkeramik har høj styrke over et bredt temperaturområde, moderat termisk ledningsevne , lav varmeudvidelseskoefficient , moderat høj elasticitetskoefficient og usædvanlig høj brudsejhed for en keramik. Denne kombination af egenskaber resulterer i fremragende termisk stødmodstand , evnen til at modstå høje belastninger ved høje temperaturer og samtidig opretholde fremragende slidstyrke . På grund af sin lave vægtfylde er krystallinsk siliciumnitrid velegnet til menneskelige knogleproteser [1] .

Sammenlignet med siliciumdioxid har nitrid i amorf tilstand en højere koncentration af elektron- og hulfælder (ca. 10 19 cm −3 ), og disse fælder er relativt dybe (ca. 1,5 eV ). Dette gør det muligt at bruge siliciumnitrid som en effektiv hukommelsesenhed: elektroner og huller, der sprøjtes ind i det, lokaliseres (fanges) af fælder og kan forblive i dem i omkring 10 år ved en temperatur på 85 °C [1] .

Også sammenlignet med oxid har siliciumnitrid en høj dielektrisk konstant (ca. 7, mens SiO 2 har 3,9), så det bruges i en række enheder som en isolator [1] .

Kemisk

Siliciumnitrid interagerer ikke med salpetersyre , svovlsyre og saltsyre , reagerer svagt med phosphorsyre og intensivt med flussyre . Nedbrydes af smelter af alkalier , oxider og carbonater af alkalimetaller . Interagerer ikke med klor op til 900 °C, med hydrogensulfid - op til 1000 °C, med brint - op til 1200 °C. Med smelter Al , Pb , Sn , Zn , Bi , Cd , Cu - reagerer ikke; med overgangsmetaller danner silicider , med metaloxider over 1200°C- silicater . Oxidation af siliciumnitrid i luft begynder over 900 °C.

Behandler

Siliciumnitridprodukter opnås ved sintring ved høje temperaturer, varmpresning, pyrolyse af siliciumforbindelser. Produkter af høj kvalitet opnås ved sintring i gas-statiske installationer under højt tryk i nærvær af nitrogen .

Siliciumnitrid er svært at opnå som et enkelt materiale på grund af det faktum, at det ikke kan opvarmes til over 1850 °C - dette er et godt stykke under smeltepunktet ( silicium og nitrogen adskiller sig ). Således er brugen af den konventionelle termiske sintringsmetode ( eng. hotpress sintering ) problematisk. Binding af pulveriseret siliciumnitrid kan opnås ved lavere temperaturer ved at tilføje yderligere materialer, som normalt forbedrer sintringsniveauet. Et alternativ er metoden til at anvende gnistplasmasintring ( Spark Plasma Sintering ) [2] , hvor opvarmningen er meget hurtig (i sekunder); hvor elektriske strømimpulser passerer gennem det forkomprimerede pulver. Tætte produkter fremstillet af siliciumnitrid blev opnået ved denne metode ved temperaturer på 1500-1700°C.

Egenskaber for krystallinske modifikationer

Blå atomer - nitrogen, grå - silicium
trigonal α - Si3N4 _
sekskantet β - Si3N4 _
kubisk y - Si3N4 _

Der er tre krystallografiske strukturer af siliciumnitrid, kaldet α, β og γ. Α- og β-faserne er de mest almindelige former for siliciumnitrid og kan fremstilles ved normalt tryk. Γ -fasen kan syntetiseres ved høje tryk og temperaturer og ved et tryk på 35 GPa.

Α og β-Si 3 N 4 har henholdsvis en trigonal syngoni ( Pearson symbol hP28, rumgruppe P31c, nr. 159) og sekskantede (hP14, P6 3 , nr. 173) strukturer, som er konstrueret ud fra udvekslingsvinklerne af Si3N4 - tetraedre . _ _ De kan betragtes som strukturer bestående af lag af silicium og nitrogenatomer i sekvensen ABAB … eller ABBCABCB … i henholdsvis β-Si 3 N 4 og α-Si 3 N 4 . AB-laget gentages i både α- og β-fasen, mens CD'en med AB på glideplanet kun gentages i α-fasen. Tetraedre i Si 3 N 4 i β-form er indbyrdes forbundet på en sådan måde, at tunnelerne dannes parallelt med enhedscellens akse. På grund af glideplanet, som er fra AB til CD, indeholder α-strukturen hulrum i stedet for tunneler. Den kubiske y-Si3N4- form omtales ofte som "c-modifikationen" i litteraturen, analogt med den kubiske modifikation af bornitrid (c-BN). Γ -formen af siliciumnitrid har en spinelstruktur , hvor hvert andet siliciumatom binder sig til seks nitrogenatomer , danner et oktaeder , og et siliciumatom binder sig til fire nitrogenatomer og danner et tetraeder.

En længere stablingssekvens resulterer i en α-fase med en højere hårdhed end en β-fase. Imidlertid er α-fasen kemisk ustabil sammenlignet med β-fasen. Ved høje temperaturer, når den opvarmes til en flydende fase , omdannes α-fasen til β-fasen. Således er β-Si 3 N 4 den vigtigste form, der anvendes i den keramiske virksomhed.

Egenskaber af α og β-Si 3 N 4 former:

For a-Si3N4 : a = 0,7765 nm, c=0,5622 nm, rumgruppe P31c;
For β-Si3N4 : a = 0,7606 nm, c=0,2909 nm, rumgruppe P63 /m .
α-Si 3 N 4 omdannes til β-formen ved temperaturer over 1400 °C.

β - Si3N4 er stabil op til 1600 °C ; smelter ikke.

Egenskaber for a - Si3N4 :

Sublimerer intensivt med nedbrydning over 1600 °C
Massefylde : 3,192 g/cm³,
C° p : 93,01 J/(mol K),
ΔH ° arr : 787,8 kJ/mol,
S° 298 : 66,07 J/(mol K),
Termisk ledningsevne :
- 62,8 W/(m K) ved 300 K;
- 20,0 W/(m K) ved 1573 K,
Temperaturkoefficient for lineær udvidelse : 3,4⋅10 −6 K −1 ,
Debye temperatur : 1140 K,
Båndafstand : 4,0 eV,
Dielektrisk konstant : 6,3-7,1,
Dielektrisk tabsvinkel tangent : (5,3-9,7)⋅10 −3 ,
Vickers hårdhed (belastning 100 g):
- 45,3 GPa (a-struktur);
- 34,8-35,8 GPa (β-struktur),
Elasticitetsmodul : 298 GPa.

Brug

Når du opretter dele

Siliciumnitrid anvendes hovedsageligt i strukturer, hvor der kræves høj styrke og høj temperaturbestandighed.

Det bruges til fremstilling af digler , pumpeelementer, rørledninger , gasbrænderdyser, katalysatorblokholdere , flyhovedbeklædninger , radiotransparente vinduer, som et slibende og isolerende materiale . Det bruges for eksempel til fremstilling af dele til den termiske vej af gasturbinemotorer og gasturbiner selv , bilmotordele, lejer , metalbearbejdning , og er meget udbredt i produktion af keramik, skærende værktøjer, produktion af ildfaste materialer osv. Ildfaste materialer med siliciumnitrid har høj varmebestandighed og styrke . De bruges som en integreret del af varmeafskærmende ablative materialer , ildfaste siliciumcarbidmaterialer , til varmebestandige ildfaste materialer, til metalledere , hælde- og doseringsanordninger til ikke-jernholdige metaller.

Applikationer i elektronik

Siliciumnitrid er sammen med siliciumoxid og siliciumoxynitrid et nøglemateriale i elektroniske siliciumenheder [ 1] .

Tynde film af siliciumnitrid bruges oftest som et isolerende lag i siliciumelektronik; Siliciumnitrid-cantileveren er den sonderende del af et atomkraftmikroskop .

Siliciumnitrid bruges også ofte som en isolator og kemisk barriere ved fremstilling af integrerede kredsløb .

Siliciumnitrid er meget udbredt i flashhukommelsesenheder som lagringsmedie [1] .

Ansøgninger i byggeriet

Kan bruges som fiber i fiberarmeret beton (svarende til basaltfiber ) [3] .

Syntese

Direkte nitrering [4] :

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

Termocarbonnitrering : _

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

Passering af silan i ammoniak resulterer i siliciumnitrid og hydrogen :

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

Passering af siliciumdichlorid-dihydrid i ammoniak giver siliciumnitrid, hydrogenchlorid og hydrogen:

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

Kemisk dampaflejring ( CVD) [5] :

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

Ved at tilføje ammoniak til siliciumsulfid får vi siliciumnitrid, rent brint og svovl ved udgangen :

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

Ved at tilsætte ammoniak til silicium (IV) chlorid , passerer i en strøm af argon , får vi siliciumnitrid og ammoniumchlorid ved udgangen :

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

Det kan også opnås ved kun at udføre to reaktioner:

${\mathsf {SiCl_{4}+8NH_{3}\ {\xrightarrow {-50^{o}C))\ Si(NH_{2})_{4}+4NH_{4}Cl))$ - reaktionen foregår i flydende ammoniak
${\mathsf {3Si(NH_{2})_{4}\ {\xrightarrow {t}}\ Si_{3}N_{4}+8NH_{3}\!\uparrow }}$ – termisk nedbrydning af siliciumtetraamid

Sagens historie

Siliciumnitrid blev først opnået i 1857 af Henri St. Clair Deville og Friedrich Wöhler , men dens aktive industrielle produktion begyndte først i 1950'erne. I naturen blev Si 3 N 4 fundet i 1990'erne som en lille indeslutning i meteoritter , og blev opkaldt efter nirit efter den amerikanske fysiker Alfred Nier .

Noter

↑ 1 2 3 4 5 V. A. Gritsenko. Elektronisk struktur af siliciumnitrid // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 531-541 .
↑ Spark Plasma Sintering - Spark Plasma Sintering | TOKYO BOEKI . Dato for adgang: 5. oktober 2010. Arkiveret fra originalen 29. november 2014. (ubestemt)
↑ 212. K.A. Saraikina, V.A. Shamanov Dispergeret armering af beton // Bulletin of PSTU. Urbanistik. 2011. Nr. 2.
↑ Udtrykket " nitrering ", der oprindeligt blev brugt i artiklen, bruges i organisk kemi til at henvise til indførelsen af en NO 2 -gruppe i et stof. At opnå forbindelser af et metal eller ikke-metal med nitrogen (normalt på overfladen, men nogle gange i volumen) kaldes nitrering , sjældnere - nitrering (lånt fra den tyske Nitrierung).
↑ Ordbogsopslagsbog om ny keramik / Shvedkov E. L., Kovensky I. I., Denisenko E. T., Zyrin A. V.; Administrerende redaktør Trefilov V. I. - Kyiv: Naukova Dumka, 1991. - 280 s.