Le carbure de silicium est un composé chimique de formule SiC. C'est une céramique ultraréfractaire ultradure semiconductrice synthétique, qu'on peut trouver dans la nature sous la forme d'un minéral très rare, la moissanite.
Grâce au procédé Acheson, depuis la fin du , on sait produire industriellement de la poudre de carbure de silicium, qui servit d'abord comme abrasif. Les grains de SiC peuvent être traités par frittage pour obtenir des pièces en céramique très dures qui sont largement utilisées pour des applications exigeant une résistance élevée comme les freins, les embrayages, ou les plaques de certains gilets pare-balles.
Le carbure de silicium a également des applications électroniques qui remontent au début du , dans les premières radios, puis des diodes électroluminescentes () ; aujourd'hui, ce matériau est employé dans les composants électroniques devant fonctionner à température ou sous des tensions élevées. Il est possible d'obtenir de grands monocristaux de carbure de silicium par le procédé de Lely, cristaux qui peuvent ensuite être taillés en gemmes appelées moissanite synthétique. Le carbure de silicium sous forme de nanoparticules peut également être obtenu à partir d’une couche de carbone déposée sur du silicium.
Le carbure de silicium présente plus de 250 polymorphes Rebecca Cheung, Silicon carbide microelectromechanical systems for harsh environments, Imperial College Press, 2006, . ., dont les principaux sont l'α-SiC (ou polytype 6H, hexagonal), le β-SiC (ou polytype 3C, de type sphalérite), et le carbure de silicium 4H.
Structure et propriétés Le carbure de silicium pur est incolore, mais le produit industriel est noir tirant sur le vert en raison d'impuretés d'alumine . Le SiC le plus pur tend vers le vert bouteille. Le matériau massif a une masse volumique de à , et il est à peu près insoluble dans l'eau. Il résiste à l'oxydation dans l'atmosphère au-dessus de en formant une couche de passivation en dioxyde de silicium qui protège le matériau de l'oxygène de l'air. Au-dessus de et sous pression partielle d'oxygène inférieure à , il se forme plutôt du monoxyde de silicium SiO, qui est gazeux à cette température et ne protège donc plus le matériau contre l'oxydation, de sorte que le SiC brûle rapidement dans ces conditions.
Le carbure de silicium présente une dureté de 9,0 à 9,5 sur l'échelle de Mohs, comparable à celle du carbure de bore et de l'alumine . Il a une conductivité thermique d'environ pour le SiC pur, généralement ramenée de 100 à pour le SiC technique, en fonction du procédé de fabrication. Sa largeur de bande interdite varie selon le polytype considéré, par exemple pour le β-SiC (polytype 3C) et pour le polytype 2H K. Takahashi, A. Yoshikawa et A. Sandhu, Wide Bandgap Semiconductors: Fundamental Properties and Modern Photonic and Electronic Devices, Springer-Verlag, New York, 2007. .. Il ne fond pas, même sous atmosphère inerte, et se décompose à , ou selon différentes mesures menées respectivement en 1986, 1988 et 1998.
+ Propriétés des principaux polytypes du carbure de silicium. Yoon-Soo Park, SiC materials and devices, Academic Press, 1998, . Polytype 6H (α) 3C (β) 4H Structure cristalline Hexagonale (wurtzite) Cubique (sphalérite) Hexagonale Groupe d'espace C–P6mc T–F3m C–P6mc Symbole de Pearson hP12 cF8 hP8 Paramètre cristallin ; ; Masse volumique Largeur de bande interdite Module de compression Conductivité thermique à .
Polymorphisme Le carbure de silicium est notable pour son polymorphisme particulièrement développé, comptant plus de cristallines. Ce polymorphisme est caractérisé par des structures cristallines très proches appelées polytypes, identiques dans deux dimensions mais différentes selon la troisième dimension, ce qui permet de les décrire comme différentes les unes des autres par l'ordre d'empilement de couches atomiques de structure déterminée..
Le carbure de silicium alpha (α-SiC) est le polytype le plus courant. Il se forme au-dessus de , avec une structure cristalline hexagonale dite 6H. Le carbure de silicium bêta (β-SiC) se forme en dessous de ., avec une structure cubique dite 3C de type sphalérite, semblable à celle du diamant. Le β-SiC était relativement peu utilisé jusqu'au début du siècle mais a trouvé des applications industrielles comme support de catalyse hétérogène, car il présente une plus grande surface que l'α-SiC.
Conductivité électrique Le carbure de silicium est un semiconducteur qui peut être dopé n par l'azote et le phosphore et p par le béryllium, le bore, l'aluminium et le gallium. La supraconductivité a été observée dans le 3C-SiC:Al, le 3C-SiC:B et le 6H-SiC:B à la même température de . On observe cependant une différence de comportement essentielle entre le dopage au bore et le dopage à l'aluminium : le SiC:Al est un supraconducteur de type , comme le Si:B, tandis que le SiC:B est un supraconducteur de type . On a montré que les sites du silicium dans le réseau cristallin du carbure de silicium sont plus importants pour la supraconductivité que les sites du carbone ; ceci pourrait expliquer la différence de comportement magnétique selon les modes de dopage car le bore se substitue au carbone tandis que l'aluminium se substitue au silicium dans le carbure de silicium..
Carbure de silicium naturel vignette|Moissanite (grossissement 14×).
Le carbure de silicium existe en très petites quantités dans le milieu naturel sous forme d'un minéral d'α-SiC appelé moissanite. D'infimes quantités de ce minéral peuvent être trouvées dans certaines types de météorites et dans les dépôts de corindon et de kimberlite. Le premier fragment de moissanite a été observé en 1893 par Henri Moissan. — qui a donné son nom au minéral — dans la météorite de Canyon Diablo, issue du , en Arizona (États-Unis). Cette découverte a souvent été discutée car l'échantillon sur lequel Moissan travaillait aurait pu avoir été contaminé par des lames de scie en carbure de silicium qui étaient déjà sur le marché à cette époque.
La moissanite a été trouvée comme minéral accessoire dans les kimberlites, essentiellement sous la forme des polytypes 6H et 15R.. Des grains de moissanite ont également été trouvés au sein d'une syénite peralcaline du volcan Água de Pau (île de São Miguel, aux Açores). Il s'agit surtout du polytype 6H, mais le polytype 4H est également présent. La formation de moissanite témoigne de conditions extrêmement réductrices, et peut-être d'un flux de méthane et d'hydrogène..
Bien qu'il soit extrêmement rare sur Terre, le carbure de silicium est particulièrement abondant dans l'espace. C'est un constituant important de la poussière interstellaire et c'est pourquoi on en retrouve souvent dans les météorites les plus primitives, c'est-à-dire les moins altérées depuis leur formation. Il s'agit presque toujours de β-SiC. On trouve ainsi de la moissanite dans certaines météorites chondritiques, sous la forme de grains présolaires. La composition isotopique de ces grains apporte des informations sur la nucléosynthèse stellaire explosive et sur certaines réactions nucléaires au sein des supernovae de type .. L'analyse des grains de carbure de silicium de la météorite de Murchison, une chondrite carbonée tombée en Victoria (Australie), a également révélé des rapports isotopiques de carbone et de silicium inhabituels indiquant une origine extérieure au Système solaire..
Production vignette|Fragment de SiC polycristallin chargé d'impuretés.
La moissanite étant un minéral extrêmement rare, le carbure de silicium est un matériau essentiellement synthétique. Il est utilisé comme abrasif, comme semiconducteur ainsi que comme gemme semblable au diamant. La méthode la plus simple consiste à combiner du sable de silice avec du carbone dans un four électrique selon le procédé Acheson, entre . Il est également possible de produire du carbure de silicium à partir des grains de silice présents dans le son (par exemple celui de riz) en chauffant le tout pour faire réagir le dioxyde de silicium avec le carbone de la matière organique. La fumée de silice, qui est un sous-produit de la production de silicium et d'alliages de ferrosilicium, peut également donner du carbure de silicium par chauffage avec du graphite à .
La pureté du matériau formé dans un four d'Acheson dépend de la distance par rapport aux résistances de graphite. Les cristaux les plus purs sont incolore, jaune clair ou verts et se trouvent au plus près des résistances. La couleur vire au bleu marine et au noir à mesure qu'on s'éloigne des résistances et que les cristaux deviennent moins purs. Les impuretés les plus courantes sont l'azote et l'aluminium, qui affectent la conductivité électrique du matériau Gary Lynn Harris, Properties of silicon carbide, IET, 1995, . .
vignette|Monocristal de SiC.
On peut obtenir du carbure de silicium pur par le procédé de Lely Jan Anthony Lely, (1955). « Darstellung von Einkristallen von Silicium Carbid und Beherrschung von Art und Menge der eingebauten Verunreinigungen », Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, , , au cours duquel le carbure de silicium est sublimé pour libérer du silicium, du carbone, du dicarbure de silicium et du carbure de disilicium dans une atmosphère d'argon à , espèces qui sont ensuite condensées sous forme de monocristaux d'environ de diamètre sur un substrat plus froid. Ce procédé donne des monocristaux de bonne qualité, essentiellement sous forme d'α-SiC (polytype 6H) en raison de la température de croissance élevée. Un procédé Lely modifié utilisant le chauffage par induction dans des creusets en graphite donne des cristaux encore plus grands, pouvant atteindre ..
Le carbure de silicium cubique (β-SiC) est généralement obtenu par des procédés plus chers de dépôt chimique en phase vapeur (). Il est possible de réaliser des homoépitaxies et des hétéroépitaxies de couches en carbure de silicium à partir de précurseurs liquides ou gazeux Andrey S. Bakin, « SiC Homoepitaxy and Heteroepitaxy », M. Shur, S. Rumyantsev, M. Levinshtein, SiC materials and devices, World Scientific, 2006, . . Du carbure de silicium pur peut également être préparé par décomposition thermique d'un polymère, le poly(méthylsilyne), sous atmosphère inerte à température plus basse. Par rapport aux méthodes par CVD, la pyrolyse d'un polymère présente l'avantage de pouvoir donner une forme précise au polymère avant de le convertir en céramique.
Photographies
Applications Abrasifs et outils de coupe vignette|Disques de coupe au SiC.
Le carbure de silicium est un abrasif couramment utilisé dans les arts plastiques en raison de sa durabilité et de son faible coût. Dans l'industrie, il est utilisé dans les procédés d'usinage par abrasion comme le meulage, le polissage, le découpage jet d'eau et le sablage. Des particules de carbure de silicium sont laminées sur du papier pour produire du papier de verre ainsi que des bandes antidérapantes pour skateboards.
Un composite d'alumine et de barbes de carbure de silicium SiC particulièrement résistant a été observé en 1982 et commercialisé dans des outils de coupe dès 1985 Narottam P. Bansal, Handbook of ceramic composites, Springer, 2005, . .
Matériau structurel Comme d'autres céramiques ultradures (l'alumine et le carbure de bore ), le carbure de silicium est utilisé dans les blindages composites (par exemple le blindage Chobham) et dans les plaques en céramique de certains gilets pare-balles.
Le carbure de silicium est utilisé comme support et matériau de rayonnage dans les fours à haute température, notamment pour la cuisson de la céramique, la fusion du verre ou la coulée du verre. Les étagères de four en carbure de silicium sont sensiblement plus légères et plus durables que les étagères traditionnelles en alumine.