炭化ケイ素（SiC ）はカーボランダム（/ ˌ k ɑːr b ə ˈ r ʌ n d əm / ）とも呼ばれ、ケイ素と炭素を含む硬い化合物です。ワイドバンドギャップ半導体で、天然では非常に希少な鉱物モアッサナイトとして存在しますが、1893年以来、研磨剤として粉末や結晶として大量生産されています。炭化ケイ素の粒子は焼結によって結合して非常に硬いセラミックを形成することができ、自動車のブレーキ、クラッチ、防弾チョッキのセラミックプレートなど、高い耐久性が要求される用途に広く使用されています。レリー法で炭化ケイ素の大きな単結晶を成長させることができ、合成モアッサナイトと呼ばれる宝石にカットすることができます。

発光ダイオード(LED) や初期のラジオの検出器などのシリコンカーバイドの電子的応用は、1907 年頃に初めて実証されました。SiC は、高温または高電圧、あるいはその両方で動作する半導体電子デバイスに使用されます。

自然発生

モアッサナイト単結晶（大きさ約1 mm）

天然のモアッサナイトは、特定の種類の隕石、コランダム鉱床、キンバーライトにごく微量しか含まれません。モアッサナイトジュエリーを含め、世界で販売されている炭化ケイ素のほぼすべては合成です。

天然モアッサナイトは、1893年にアリゾナ州のキャニオンディアブロ隕石の小さな成分としてフェルディナンド・アンリ・モアッサンによって初めて発見され、1905年に彼の名にちなんで命名されました。[7]モアッサンによる天然のSiCの発見は、当時すでに市場に出回っていたシリコンカーバイドの鋸刃によってサンプルが汚染されていた可能性があるため、当初は論争の的となりました。 [8]

地球上では稀ですが、炭化ケイ素は宇宙では非常に多く見られます。炭素を豊富に含む恒星の周囲でよく見られる星屑の一種で、原始的な（変化していない）隕石の中に、この星屑がそのままの状態で発見されています。宇宙や隕石で発見される炭化ケイ素は、ほぼすべてベータ型多形です。炭素質コンドライト隕石であるマーチソン隕石で発見されたSiC粒子の分析により、炭素とケイ素の異常な同位体比が明らかになり、これらの粒子が太陽系外で発生したことが示唆されています。[9]

歴史

初期の実験

体系的ではなく、あまり認識されておらず、検証されていないことが多い炭化ケイ素の合成には次のものがあります。

大規模生産

HJ RoundのLED実験の再現

大規模生産は1891年のエドワード・グッドリッチ・アチソンによるものとされています。[11]アチソンは人工ダイヤモンドの製造を試み、粘土（アルミニウムケイ酸塩）と粉末コークス（炭素）の混合物を鉄のボウルで加熱しました。彼は生成した青い結晶をカーボランダムと名付け、コランダムに似た炭素とアルミニウムの新しい化合物であると信じていました。アンリ・モアッサンも、溶融シリコンへの炭素の溶解、炭化カルシウムとシリカの混合物の溶融、電気炉での炭素によるシリカの還元など、いくつかの方法でSiCを合成しました。

アチソンは1893年2月28日に炭化ケイ素粉末の製造方法の特許を取得しました。[12]アチソンはまた、現在でも炭化ケイ素（SiC）の製造に使用されている電気バッチ炉を開発し、当初は研磨剤として使用されるバルクSiCを製造するためにカーボランダム社を設立しました。[13] 1900年、同社はエレクトリック・スメルティング・アンド・アルミニウム社と和解しました。裁判所の判決により、創業者たちは「白熱法による鉱石やその他の物質の還元」に関して「広範に優先権」を得ました。[14]

SiCの最初の用途は研磨剤でした。その後、電子機器への応用が進みました。20世紀初頭には、炭化ケイ素は最初のラジオの検出器として使用されました。[15] 1907年、ヘンリー・ジョセフ・ラウンドはSiC結晶に電圧を印加し、陰極から黄色、緑、オレンジ色の発光を観測することで、最初のLEDを開発しました。この効果は、後にソビエト連邦のOVロセフによって1923年に再発見されました。[16]

生産

直径約3mmの合成SiC結晶
シリコンカーバイド製の6インチ（約15 cm）のウエハ2枚

天然モアッサナイトは極めて希少であるため、ほとんどのシリコンカーバイドは合成されています。シリコンカーバイドは研磨剤として使用されるほか、半導体や宝石品質のダイヤモンド模造品としても使用されます。シリコンカーバイドを製造する最も簡単な方法は、アチソングラファイト電気抵抗炉でシリカ 砂と炭素を1,600℃（2,910℉）～2,500℃（4,530℉）の高温で混合することです。植物性物質（例：籾殻）に含まれる微細なSiO 2粒子は、有機物由来の過剰炭素を加熱することでSiCに変換できます。[17]金属シリコンやフェロシリコン合金の製造時に副産物として発生するシリカフュームも、グラファイトとともに1,500℃（2,730℉）で加熱することでSiCに変換できます。[18]

アチソン炉で生成される物質の純度は、グラファイト 抵抗器の 熱源からの距離に応じて変化します。無色、淡黄色、緑色の結晶は最も純度が高く、抵抗器に最も近い位置にあります。抵抗器からの距離が離れるにつれて、色は青や黒に変化し、これらの暗い色の結晶は純度が低くなります。窒素とアルミニウムは一般的な不純物であり、SiCの電気伝導性に影響を与えます。[19]

合成SiCレリー結晶

純粋な炭化ケイ素は、レリー法[20]によって製造することができる。この方法では、SiC粉末をアルゴンガス雰囲気中2,500℃で昇華させ、シリコン、炭素、二炭化ケイ素（SiC 2）、二炭化ケイ素（Si 2 C）などの高温種を生成し、これをやや低温の基板上で最大2×2cmの大きさの薄片状単結晶[21]に再堆積させる。このプロセスでは、主に6H-SiC相からなる高品質の単結晶が得られる（成長温度が高いため）。

グラファイトるつぼを用いた誘導加熱法を用いた改良レリー法では、直径4インチ（10cm）のさらに大きな単結晶が得られ、従来のレリー法に比べて断面が81倍も大きい。[22]炭化ケイ素（SiC）ウエハーは、この方法で成長させることが多く、業界ではSiC製のシードウエハーを用いた物理気相輸送法と呼ばれている。SiC粉末は昇華するまで加熱され、その後SiC蒸気は冷却されてシード結晶の下に堆積する。[23] [24]

立方晶SiCは通常、シラン、水素、窒素の化学気相成長（CVD）というより高価なプロセスによって成長します。 [19] [25]ホモエピタキシャルおよびヘテロエピタキシャルSiC層は、気相および液相の両方のアプローチを使用して成長させることができます。[26]

複雑な形状のSiCを形成するために、プレセラミックポリマーを前駆体として使用し、1,000～1,100℃の温度で熱分解させることでセラミック製品を得ることができる。 [27]このように炭化ケイ素を得るための前駆体材料としては、ポリカルボシラン、ポリメチルシラン、ポリシラザンなどが挙げられる。[28]プレセラミックポリマーの熱分解によって得られる炭化ケイ素材料は、ポリマー誘導セラミックス（PDC）として知られている。プレセラミックポリマーの熱分解は、ほとんどの場合、不活性雰囲気下、比較的低温で行われる。CVDプロセスと比較して、熱分解法は、セラミックに熱分解する前にポリマーを様々な形状に成形できるという利点がある。[29] [30] [31] [32]

SiCは、ダイヤモンドワイヤーソーまたはレーザーを用いて単結晶を切断することでウェハーに加工することもできます。SiCはパワーエレクトロニクスに用いられる有用な半導体です。[33]

構造と特性

炭化ケイ素、実体顕微鏡で撮影した画像。

炭化ケイ素は約250種類の結晶形態で存在します。[34]プレセラミックポリマーの不活性雰囲気熱分解によって、ガラス状非晶質の炭化ケイ素も生成されます。[27] SiCの多形性は、ポリタイプと呼ばれる類似の結晶構造の大きなファミリーによって特徴付けられます。ポリタイプは、同じ化合物の2次元では同一ですが、3次元では異なるバリエーションです。したがって、ポリタイプは特定の順序で積み重なった層として見ることができます。[35]

アルファ型炭化ケイ素（α-SiC）は最も一般的に見られる多形であり、1,700℃以上の温度で形成され、六方晶系の 結晶構造（ウルツ鉱に類似）を有する。ベータ型（β-SiC）は閃亜鉛鉱型の結晶構造（ダイヤモンドに類似）を有し、1,700℃未満の温度で形成される。[36]近年まで、ベータ型の商業的用途は比較的少なかったが、アルファ型に比べて表面積が大きいことから、 不均一触媒の担体としての利用への関心が高まっている。

純粋なSiCは無色です。工業製品では鉄の不純物によって茶色から黒色を呈します。[40]結晶の虹のような光沢は、表面に形成される 二酸化ケイ素の不動態化層の薄膜干渉によるものです。

SiCは昇華温度が高い（約2,700℃）ため、ベアリングや炉の部品に有用である。炭化ケイ素は溶融せず、グラファイトと同様に約2,700℃で昇華し始め、その温度付近でかなりの蒸気圧を有する。また、SiO2の薄い不動態層を形成するため、化学的に非常に不活性である。現在、電子機器における半導体材料としての利用に大きな関心が寄せられており、高い熱伝導率、高い電界破壊強度、高い最大電流密度を有することから、高出力デバイス用としてはシリコンよりも有望視されている。[41] SiCの熱膨張係数は、300 K付近で約2.3 × 10 −6 K −1（4Hおよび6H SiCの場合）と非常に低く、 5 Kから340 Kの温度範囲で熱膨張係数の不連続性を引き起こすような相転移は起こらない。 [19] [39]

電気伝導性

炭化ケイ素は半導体であり、窒素またはリンでn型に、ベリリウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウムでp型にドープすることができる。[5]ホウ素、アルミニウム、窒素を高濃度にドープすることで金属的な導電性が実現されている。

3C-SiC:Al、3C-SiC:B、6H-SiC:Bにおいて、約1.5 Kという同程度の温度で超伝導が検出されている。 [36] [42]しかし、アルミニウムドーピングとホウ素ドーピングの磁場挙動には決定的な違いが見られる。3C-SiC:AlはII型である。一方、3C-SiC:Bと6H-SiC:BはI型である。したがって、超伝導特性はポリタイプ（3C- vs. 6H-）よりもドーパント（B vs. Al）に依存するようである。この依存性を説明する試みとして、BはSiCのCサイトを置換するが、AlはSiサイトを置換することが指摘された。したがって、AlとBは両方のポリタイプにおいて異なる環境を「見ている」ことになる。[43]

用途

研磨工具および切削工具

SiC製のカッティングディスク

製造業においては、その硬度を活かして、研削、ホーニング、ウォータージェット切断、サンドブラストなどの研磨加工工程で使用されます。SiCは、酸化アルミニウムと比較して、サンドブラストにおいてはるかに鋭く硬い代替材料となります。炭化ケイ素の粒子を紙に積層することで、サンドペーパーやスケートボードのグリップテープが製造されます。[44]

芸術分野では、炭化ケイ素は耐久性があり材料コストが低いことから、 現代​​の宝石細工では人気の研磨材です。

1982年、酸化アルミニウムと炭化ケイ素のウィスカーからなる、非常に強度の高い複合材料が発見されました。この実験室で製造された複合材料を製品化するまでにわずか3年かかりました。1985年には、このアルミナと炭化ケイ素のウィスカーで強化された複合材料から作られた最初の市販切削工具が市場に投入されました。[45]

構造材料

炭化ケイ素は防弾チョッキの外傷プレートに使用されている

1980年代から1990年代にかけて、欧州、日本、米国では、高温ガスタービン向けのシリコンカーバイドに関する研究が数多く行われました。これらの部品は、ニッケル 超合金製の タービンブレードやノズルベーンの代替として開発されました。 [46]しかし、これらのプロジェクトはいずれも量産には至りませんでした。主な理由は、耐衝撃性と破壊靭性の低さです。[47]

他の硬質セラミックス（アルミナや炭化ホウ素）と同様に、炭化ケイ素は複合装甲（チョバム装甲など）や防弾チョッキのセラミック板に使用されています。ピナクルアーマー社が製造したドラゴンスキンは、炭化ケイ素のディスクを使用していました。[48] SiC装甲の破壊靭性の向上は、異常粒成長（AGG）現象によって促進されます。異常に長い炭化ケイ素粒の成長は、ウィスカー強化と同様に、亀裂後流の橋渡しを通じて強化効果を付与する役割を果たします。同様のAGG強化効果は窒化ケイ素（Si 3 N 4 ）でも報告されています。[49]

炭化ケイ素は、陶磁器の焼成、ガラス溶融、ガラス鋳造などの高温窯において、支持材や棚板材として使用されます。炭化ケイ素製の窯の棚板は、従来のアルミナ製の棚板よりも大幅に軽量で耐久性に優れています。[50]

2015年12月には、溶融マグネシウムに炭化ケイ素ナノ粒子を注入することが、航空宇宙、自動車、マイクロエレクトロニクスに適した新しい強度と可塑性を持つ合金を製造する方法として言及されました。[51]

自動車部品

ポルシェ・カレラGTのシリコンカーバイド「カーボンセラミック」ディスクブレーキ

シリコンを浸透させた炭素繊維複合材は、極度の温度に耐えられることから、高性能「セラミック」ブレーキディスクに使用されています。シリコンは炭素繊維複合材中のグラファイトと反応して、炭素繊維強化シリコンカーバイド（C/SiC）となります。これらのブレーキディスクは、一部の公道走行可能なスポーツカー、スーパーカー、そしてポルシェ・カレラGT、ブガッティ・ヴェイロン、シボレー・コルベットZR1、マクラーレンP1、[52] ベントレー、フェラーリ、ランボルギーニ、そして一部の高性能アウディ車など、その他の高性能車にも使用されています。シリコンカーバイドは、焼結された形でディーゼル粒子フィルターにも使用されています。[53]また、摩擦、排出ガス、高調波を低減するためのオイル添加剤としても使用されています[[疑わしい-議論が必要] ] [明確化が必要] 。 [54] [55]

鋳造るつぼ

SiCは、小規模および大規模の鋳造用途において、溶融金属を保持するためのるつぼに使用されます。[56] [57]

電気システム

SiCの最も初期の電気的用途は、電力系統の避雷器におけるサージ保護でした。これらのデバイスは、両端の電圧が一定の閾値V Tに達するまでは高い抵抗を示し、その後抵抗が低下し、印加電圧がV Tを下回るまでこのレベルを維持し、電流が地面に流れ込むまで維持されます。[58]

SiC の抵抗が電圧に依存することは早くから[いつから? ]認識されていたため、高圧送電線とアースの間に SiC ペレットの列が接続されていました。送電線に落雷して線間電圧が十分に上昇すると、SiC 列が導通し、落雷電流が送電線を流れずにアースに無害に流れます。SiC 列は、通常の送電線の動作電圧でかなりの導電性があることが判明したため、スパークギャップと直列に配置する必要がありました。このスパークギャップは、落雷によって送電線の導体の電圧が上昇するとイオン化されて導電性になり、電力導体とアースの間の SiC 列を効果的に接続します。避雷器に使用されるスパークギャップは信頼性が低く、必要なときにアークを発生できないか、その後オフになりません。後者の場合は、材料の破損またはほこりや塩分による汚染が原因です。SiC 列の使用は、もともと避雷器のスパークギャップの必要性をなくすことを目的としていました。ギャップ付きSiC避雷器は避雷に使用され、GEやウェスティングハウスなどのブランド名で販売されていました。ギャップ付きSiC避雷器は、酸化亜鉛ペレットの柱状構造を用いたギャップなしバリスタに大きく置き換えられました。[59]

電子回路素子

炭化ケイ素は、商業的に重要な最初の半導体材料でした。水晶ラジオ用の「カーボランダム」（合成炭化ケイ素）検波ダイオードは、ヘンリー・ハリソン・チェイス・ダンウッディによって1906年に特許を取得しました。このダイオードは、初期には船舶用受信機に広く利用されました。

パワーエレクトロニクス機器

1993年、炭化ケイ素は研究段階および初期の量産段階の両方において、高速、高温、高電圧デバイスに利点をもたらす半導体と考えられていました。最初に実用化されたデバイスはショットキーダイオードであり、その後、高出力スイッチング用の接合ゲートFETとMOSFETが続きました。バイポーラトランジスタとサイリスタも開発されました。[41]

SiCの実用化における大きな課題は、欠陥の除去であった。具体的には、刃状転位、らせん転位（中空転位と閉コア転位の両方）、三角欠陥、基底面転位などである。 [60]その結果、SiC結晶で作られたデバイスは当初、逆阻止性能が低かったが、研究者たちはブレークダウン性能を改善するための解決策を試行錯誤してきた。 [61] 結晶品質とは別に、SiCと二酸化ケイ素の界面の問題が、SiCベースのパワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタの開発を妨げてきた。そのメカニズムはまだ解明されていないものの、窒化処理によって界面の問題を引き起こす欠陥が劇的に減少した。[62]

2008年には、定格1,200Vの商用JFETが初めて市場に導入され、 [63] 2011年には定格1,200Vの商用MOSFETが初めて導入されました。現在、JFETは定格650V～1,700Vで、抵抗値は25mΩと低くなっています。SiCスイッチやSiCショットキーダイオード（ショットキーバリアダイオード、SBDとも呼ばれる）は、TO-247やTO-220といった一般的なパッケージで販売されていますが、それよりも以前から、企業はパワーエレクトロニクスモジュールへのベアチップの実装を開始していました。

SiC-SBDダイオードは、 PFC回路やIGBT パワーモジュールに広く利用されています。[64]国際統合パワーエレクトロニクスシステム会議（CIPS） などの会議では、SiCパワーデバイスの技術進歩について定期的に報告されています。SiCパワーデバイスの能力を最大限に発揮するための主な課題は次のとおりです。

  • ゲート駆動：SiCデバイスでは、シリコンデバイスとは異なるゲート駆動電圧レベルが必要になることが多く、たとえば+20Vと-5Vのように非対称になることもあります。[65]
  • パッケージング：SiCチップはシリコンパワーデバイスよりも高い電力密度を有し、シリコンの限界である150℃を超える高温にも耐えることができます。デバイスから効率的に熱を放出し、信頼性の高い相互接続を確保するためには、焼結などの新しいダイアタッチ技術が必要です。[66]

テスラ モデル3以降、駆動ユニットのインバータには、それぞれ650ボルト定格のシリコンカーバイド（SiC）MOSFETチップが24組使用されています。この場合、シリコンカーバイドは、シリコン製のチップに比べてサイズと重量の点でテスラに大きな利点をもたらしました。多くの自動車メーカーが、自社製品のパワーエレクトロニクスデバイスにシリコンカーバイドを採用する計画を立てています。ウルフスピード社が2022年にニューヨーク州北部に開設する大規模工場を皮切りに、シリコンカーバイドの生産量が大幅に増加すると予想されています。[67] [68]

紫外線LED（ InGaNベース）

LED

エレクトロルミネッセンス現象は1907年に炭化ケイ素を用いて発見され、初期の商用LEDのいくつかはこの材料をベースにしていました。1967年3月、ゼネラル・エレクトリック・オブ・アメリカが、黄色の光を発する半導体SiCの小さなチップを用いたSSL-1固体ランプを発表した際、これは当時世界で最も明るいLEDでした。[69] 1970年までに、より明るい赤色LEDにその座を奪われましたが、3C-SiC製の黄色LEDは1970年代にソ連で製造され続け[70]、青色LED（6H-SiC）は1980年代に世界中で製造されました[71] 。

炭化物LEDの生産は、別の材料である窒化ガリウムが10～100倍の輝度で発光したことで、すぐに中止されました。この効率の違いは、SiCの間接発光バンドギャップが不利であるのに対し、GaNは直接発光バンドギャップを有し、発光に有利であるためです。しかし、SiCは依然として重要なLED部品の一つであり、GaNデバイスの成長によく用いられる基板であり、高出力LEDのヒートスプレッダーとしても使用されています。[71]

天文学

低い熱膨張係数[39] 、高い硬度、剛性、そして熱伝導性により、炭化ケイ素は天体望遠鏡の鏡材として理想的です。成長技術（化学蒸着法）はスケールアップされ、直径最大3.5m（11フィート）の多結晶炭化ケイ素ディスクを製造できるまでに発展しており、ハーシェル宇宙望遠鏡などのいくつかの望遠鏡にはすでにSiC光学系が搭載されています。[72] [73]また、ガイア宇宙望遠鏡のサブシステムは、熱による膨張や収縮を起こさない安定した構造を提供する剛性炭化ケイ素フレーム上に搭載されています。

細フィラメント高温測定法

テスト用の炎とSiC繊維の赤熱状態。炎の高さは約7cm（2.8インチ）。

シリコンカーバイド繊維は、細フィラメント高温測定法と呼ばれる光学的手法でガス温度を測定するために使用されます。この手法では、細いフィラメントを高温ガス流中に配置します。フィラメントからの放射は、フィラメント温度と相関関係があります。フィラメントは直径15マイクロメートル（人間の髪の毛の約5分の1）のSiC繊維です。繊維が非常に細いため、炎を乱すことはほとんどなく、繊維温度は局所的なガス温度に近いままです。測定可能な温度は約800～2,500 Kです。[74] [75]

加熱要素

シリコンカーバイド発熱体に関する記録は、20世紀初頭に米国のアチソンズ・カーボランダム社とベルリンのEKL社によって製造されていたものから見受けられます。シリコンカーバイドは、金属ヒーターに比べて動作温度が高く、今日ではガラスや非鉄金属の溶融、金属の熱処理、フロートガラスの製造、セラミックスや電子部品の製造、ガスヒーターのパイロットランプの点火装置などに使用されています。[76]

熱シールド

NASAのLOFTID膨張式熱シールドの外側の熱保護層には、炭化ケイ素から作られた織りセラミックが組み込まれており、繊維径が非常に小さいため、束ねて糸に紡ぐことができます。[77]

原子力応用

SiCは中性子吸収能力に優れているため、原子炉の燃料被覆材や核廃棄物の封じ込め材料として使用されています。[78]また、原子力施設の放射線レベル監視、環境モニタリング、医療用画像診断のための放射線検出器の製造にも使用されています。[79]また、原子炉用のSiCセンサーと電子機器は、将来の火星原子力発電所や地上の小型原子力発電所への応用が期待されています。[80]

核燃料粒子と被覆管

シリコンカーバイドは、ペブルベッド原子炉などの高温ガス冷却炉で使用される核燃料であるTRISO被覆燃料粒子の重要な材料です。シリコンカーバイド層は被覆燃料粒子に構造的支持を与え、核分裂生成物の放出に対する主要な拡散障壁となります。[81]

軽水炉におけるジルカロイ被覆管の代替として、シリコンカーバイド複合材料の使用が検討されている。この検討の理由の一つは、ジルカロイが水との腐食反応の結果として水素脆化を起こすことである。この脆化により、放射状水素化物の体積分率が増加すると破壊靭性が低下する。この現象は温度上昇とともに劇的に増加し、材料に悪影響を与える。[82]シリコンカーバイド被覆管はこのような機械的劣化を起こさず、温度上昇後も強度特性を維持する。この複合材料は、SiC繊維をSiC内層に巻き付け、その周囲をSiC外層が取り囲む構造となっている。[83] SiC複合材料の接合性に問題が報告されている。[84]

ジュエリー

モアッサナイトの 婚約指輪

ジュエリーに使用される宝石として、炭化ケイ素は「合成モアッサナイト」、または鉱物名にちなんで単に「モアッサナイト」と呼ばれます。モアッサナイトはいくつかの重要な点でダイヤモンドに類似しています。透明で硬く（モース硬度9～9.5 、ダイヤモンドは10）、屈折率は2.65～2.69（ダイヤモンドは2.42）です。モアッサナイトは一般的なキュービックジルコニアよりもやや硬いです。ダイヤモンドとは異なり、モアッサナイトは強い複屈折性を示すことがあります。そのため、モアッサナイトのジュエリーは複屈折の影響を最小限に抑えるために結晶の光軸に沿ってカットされます。モアッサナイトはダイヤモンドよりも軽く（密度3.21 g/cm 3 、ダイヤモンドは3.53 g/cm 3）、耐熱性もはるかに優れています。そのため、モアッサナイトは光沢が高く、ファセットが鋭く、弾力性に優れています。モアッサナイトのルース石は、ダイヤモンドと同様に、ロストワックス鋳造用のワックスリングの型に直接入れることができます。[85]モアッサナイトは1,800℃（3,270℉）までの高温でも損傷を受けないためです。モアッサナイトはダイヤモンドの代替品として人気が高まっており、その熱伝導率は他のどの代替品よりもダイヤモンドに近いため、ダイヤモンドと誤認されることがあります。多くの熱ダイヤモンド検査装置ではモアッサナイトとダイヤモンドを区別できませんが、この宝石は複屈折性と紫外線下でのごくわずかな緑色または黄色の蛍光を発することで区別されます。モアッサナイトの中には、ダイヤモンドには決して見られない、湾曲した紐状のインクルージョンを持つものもあります。[86]

鉄鋼生産

製鋼に使用される炭化ケイ素片

鉄鋼製造に使用される塩基性酸素炉に溶解した炭化ケイ素は、燃料として機能します。放出される追加エネルギーにより、炉は同じ溶銑量でより多くのスクラップを処理できます。また、出湯温度を上昇させ、炭素とケイ素の含有量を調整するためにも使用できます。炭化ケイ素は、フェロシリコンと炭素の組み合わせよりも安価であり、微量元素の含有量が少ないため、よりクリーンな鋼を生産し、排出量も少なく、ガス含有量も少なく、鋼の温度を下げません。[87]

触媒サポート

炭化ケイ素が示す本来の酸化耐性と、より大きな表面積を有する立方晶系β-SiCの合成における新たな方法の発見により、不均一触媒担体としての利用に大きな関心が集まっています。この形態は、n-ブタンなどの炭化水素を無水マレイン酸に酸化するための触媒担体として既に利用されています。[88] [89]

カーボランダム版画

炭化ケイ素は、コラグラフ版画技法であるカーボランダム版画に使用されます。カーボランダム粒子をペースト状にしてアルミニウム板の表面に塗布します。ペーストが乾燥すると、インクが塗布され、その粒状の表面に閉じ込められます。その後、版の何も付いていない部分からインクが拭き取られます。その後、凹版画に使用されるローリングベッドプレス機でインク版を紙に印刷します。その結果、紙にエンボス加工されたペイントマークの印刷物が完成します。

カーボランダム砥粒は石版画にも用いられます。均一な粒子径のため、石に「グレイン」と呼ばれる模様を付ける際に用いられ、以前の絵柄を削り落とします。研磨工程に似た工程で、粗めのカーボランダムを石に塗布し、レビゲーター（通常は垂直軸に偏心した円板）で研磨します。その後、徐々に細かい砥粒を塗布し、石がきれいになるまで研磨します。こうして、油脂に敏感な表面が形成されます。[90]

グラフェン生産

炭化ケイ素は、SiC ナノ構造の表面でグラフェンの生成を促進する化学的特性を持っているため、 グラフェンの製造に使用できます。

グラフェンの製造においては、主にシリコンが基板として用いられます。しかし、実際には炭化ケイ素上にグラフェンを成長させる方法は複数存在します。CCS（閉じ込め制御昇華）法は、真空下でグラファイトと共に加熱されたSiCチップを用いて行われます。その後、真空を徐々に解放することでグラフェンの成長を制御します。この方法では最高品質のグラフェン層が得られます。しかし、他の方法でも同様の結果が得られることが報告されています。

グラフェンを成長させるもう一つの方法は、真空中で高温でSiCを熱分解することです。[91]しかし、この方法では、層内の粒子がより微細なグラフェン層が生成されます。[92]そのため、グラフェンの品質と収率を向上させるための取り組みが行われてきました。その一つとして、シリコン末端SiCをアルゴン雰囲気中でex situ グラファイト化する方法があります。この方法は、他の方法で得られる層よりも大きなドメインサイズを持つグラフェン層を生成することが証明されています。この新しい方法は、様々な技術用途向けに高品質のグラフェンを製造する上で非常に有効です。

これらのグラフェン製造方法をどのように、あるいはいつ用いるべきかという点において、そのほとんどは、成長に適した環境下でSiC上にグラフェンを製造または成長させることを主としています。SiCの熱特性のため、通常は比較的高温（1,300℃など）で使用されます。[93]しかし、より低温でグラフェンを製造できる可能性のある特定の手順が研究・実施されています。より具体的には、このグラフェン成長への異なるアプローチにより、約750℃の温度環境でグラフェンが製造されることが観察されています。この方法は、化学気相成長（CVD）と表面偏析などの特定の方法を組み合わせたものです。基板に関しては、SiC基板に遷移金属の薄膜をコーティングする手順が採用されています。この物質を急速熱処理することで、遷移金属膜の表面界面における炭素原子が増加し、グラフェンが生成されます。このプロセスにより、基板表面全体にわたってより連続的なグラフェン層が得られることが分かっています。[94]

量子物理学

炭化ケイ素は結晶格子中に点​​欠陥を有し、これは色中心として知られています。これらの欠陥は必要に応じて単一光子を生成するため、単一光子源のプラットフォームとして機能します。[95]このようなデバイスは、量子情報科学の多くの新興応用における基本的なリソースです。外部光源または電流を介して色中心を励起すると、色中心は励起状態になり、その後、1つの光子を放出して緩和します。[96] [97]

炭化ケイ素におけるよく知られた点欠陥の一つに、ダイヤモンドの窒素空孔中心に類似した電子構造を持つ二空孔がある。4H-SiCでは、この二空孔は4つの異なる配置を持ち、それぞれが4つのゼロフォノン線（ZPL）に対応する。これらのZPL値は、V Si -V Cの表記とeVの単位を用いて、hh(1.095)、kk(1.096)、kh(1.119)、hk(1.150)と表記される。[98]

釣り竿ガイド

シリコンカーバイドは、その耐久性と耐摩耗性から、釣りガイドの製造に使用されています。[99] シリコンカーバイドリングは、通常ステンレス鋼またはチタン製のガイドフレームに取り付けられ、ラインがロッドブランクに接触するのを防ぎます。このリングは表面摩擦を低減し、キャスティング距離を向上させると同時に、編組釣り糸による摩耗を防ぐのに適切な硬度を提供します。[100]

陶器の釉薬

炭化ケイ素は、陶磁器に塗布される釉薬の原料として用いられます。高温下では金属酸化物を還元し、シリカと二酸化炭素を生成します。この性質は、発生した二酸化炭素ガスによって釉薬の泡やクレーターを形成させたり、着色剤の酸化物を還元して、電気窯での燃料還元焼成でしか得られない銅赤色などの色を実現したりするために用いられます。[101]

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ウィキメディア コモンズには、シリコン カーバイドに関連するメディアがあります。
ウィキソースには、 1911 年のブリタニカ百科事典の記事「カーボランダム」のテキストがあります。
  • ケリー、JF「シリコンカーバイドの簡潔な歴史」ロンドン大学。
  • 「モアッサナイト」。Mindat.org。
  • 「シリコンカーバイド」 NIOSH化学物質危険ポケットガイド
  • アラン・マントゥース、カール＝ミカエル・ゼッタリング、アナ・ルス（2021年4月28日）「地獄に送れる無線機：シリコンカーバイド無線回路は金星の火山熱に耐えられる」IEEE Spectrum誌。
  • Asianometry（2022年7月）「シリコンカーバイド：パワーエレクトロニクス革命」YouTube