Polymorphs of silicon carbide

Many compound materials exhibit polymorphism, that is they can exist in different structures called polymorphs. Silicon carbide (SiC) is unique in this regard as more than 250 polymorphs of silicon carbide had been identified by 2006,^[1] with some of them having a lattice constant as long as 301.5 nm, about one thousand times the usual SiC lattice spacings.^[2]

The polymorphs of SiC include various amorphous phases observed in thin films and fibers,^[3] as well as a large family of similar crystalline structures called polytypes. They are variations of the same chemical compound that are identical in two dimensions and differ in the third. Thus, they can be viewed as layers stacked in a certain sequence. The atoms of those layers can be arranged in three configurations, A, B or C, to achieve closest packing. The stacking sequence of those configurations defines the crystal structure, where the unit cell is the shortest periodically repeated sequence of the stacking sequence. This description is not unique to SiC, but also applies to other binary tetrahedral materials, such as zinc oxide and cadmium sulfide.

A shorthand has been developed to catalogue the vast number of possible polytype crystal structures: Let us define three SiC bilayer structures (that is 3 atoms with two bonds in between in the illustrations below) and label them as A, B and C. Elements A and B do not change the orientation of the bilayer (except for possible rotation by 120°, which does not change the lattice and is ignored hereafter); the only difference between A and B is shift of the lattice. Element C, however, twists the lattice by 60°.

• Structure of major SiC polytypes.
• 
  2H-SiC
• 
  4H-SiC
• 
  6H-SiC

Using those A,B,C elements, we can construct any SiC polytype. Shown above are examples of the hexagonal polytypes 2H, 4H and 6H as they would be written in the Ramsdell notation where the number indicates the layer and the letter indicates the Bravais lattice.^[4] The 2H-SiC structure is equivalent to that of wurtzite and is composed of only elements A and B stacked as ABABAB. The 4H-SiC unit cell is two times longer, and the second half is twisted compared to 2H-SiC, resulting in ABCB stacking. The 6H-SiC cell is three times longer than that of 2H, and the stacking sequence is ABCACB. The cubic 3C-SiC, also called β-SiC, has ABC stacking.^[5]

تتميز الأشكال البلورية المختلفة لكربيد السيليكون بخصائص فيزيائية متفاوتة على نطاق واسع. يتميز كربيد السيليكون 3C-SiC بأعلى حركية إلكترونية وسرعة تشبع نظرًا لانخفاض تشتت الفونونات الناتج عن التناظر العالي . تختلف فجوات الطاقة اختلافًا كبيرًا بين الأشكال البلورية، حيث تتراوح من 2.3 إلكترون فولت لكربيد السيليكون 3C-SiC إلى 3 إلكترون فولت في كربيد السيليكون 6H-SiC إلى 3.3 إلكترون فولت في كربيد السيليكون 2H-SiC. بشكل عام، كلما زاد مكون الورتزيت، زادت فجوة الطاقة. من بين الأشكال البلورية لكربيد السيليكون، يُعد 6H الأسهل تحضيرًا والأكثر دراسة، بينما يجذب الشكلان 3C و4H اهتمامًا متزايدًا لخصائصهما الإلكترونية المتميزة. إن تعدد الأشكال البلورية لكربيد السيليكون يجعل من الصعب إنتاج مادة أحادية الطور، ولكنه يوفر أيضًا بعض المزايا المحتملة - فإذا أمكن تطوير طرق نمو البلورات بشكل كافٍ، فسيكون من الممكن تحضير وصلات غير متجانسة من أشكال بلورية مختلفة لكربيد السيليكون وتطبيقها في الأجهزة الإلكترونية. ^{[ 5 ]}

لكل رمز في بنية كربيد السيليكون معنى محدد: يشير الرقم 3 في 3C-SiC إلى دورية التراص الثلاثية الطبقات (ABC)، بينما يرمز الحرف C إلى التناظر المكعب للبلورة. يُعد 3C-SiC الشكل البلوري المكعب الوحيد الممكن. أما تسلسل التراص ABAB... فيُرمز له بـ 2H-SiC، مما يدل على دورية التراص الثنائية الطبقات والتناظر السداسي . تتضاعف هذه الدورية وتتضاعف ثلاث مرات في الشكلين البلوريين 4H- و6H-SiC. تُصنف عائلة الأشكال البلورية المعينية الأوجه بالحرف R، على سبيل المثال، 15R-SiC.

خصائص الأنواع المتعددة الرئيسية لـ SiC ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} (Z هو عدد الذرات لكل وحدة خلية)

متعدد الأنواع	المجموعة الفضائية		Z	رمز بيرسون	ثوابت الشبكة		فجوة النطاق ( إلكترون فولت )	نسبة الشكل السداسي (%)
	اسم	لا			أ ( Å )	ج ( أنغستروم )
3C	${\displaystyle \mathrm {T_{d}^{2}{\mbox{-}}F43m} }$	216	2	cF8	4.3596	4.3596	2.3	0
2H	${\displaystyle \mathrm {C_{6v}^{4}{\mbox{-}}P6_{3}mc} }$	186	4	hP4	3.0730	5.0480	3.3	100
4 ساعات			8	hP8		10.053	3.2	50
6 ساعات			12	hP12		15.11	3.0	33.3
8 ساعات			16	hP16		20.147	2.86	25
10 ساعات	${\displaystyle \mathrm {P3m1} }$	156	10	hP20	3.0730	25.184	2.8	20
19 ساعة			19	hP38		47.8495
21 ساعة			21	hP42		52.87
27 ساعة			27	hP54		67.996
36 ساعة			36	hP72		90.65
9R [ 11 ]	${\displaystyle \mathrm {C_{3v}^{5}{\mbox{-}}R3m} }$	160	9	hR18	3.037	22.603	3.233	66.6
15R			15	hR30	3.0730	37.7	3.0	40
21R			21	hR42		52.89	2.85	28.5
24R			24	hR48		60.49	2.73	25
27R			27	hR54		67.996	2.73	44
33R			33	hR66		83.11		36.3
45R			45	hR90		113.33		40
51R			51	hR102		128.437		35.3
57R			57	hR114		143.526
66R			66	hR132		166.188		36.4
75R			75	hR150		188.88
84R			84	hR168		211.544
87R			87	hR174		219.1
93R			93	hR186		234.17
105R			105	hR210		264.39
111R			111	hR222		279.5
120R			120	hR240		302.4
141R			141	hR282		355.049
189R			189	hR378		476.28
393R			393	hR786		987.60

• ألياف كربيد السيليكون
• كربيد السيليكون
• الفوتونيات المصنوعة من كربيد السيليكون

• نبذة تاريخية عن كربيد السيليكون، د. ج. ف. كيلي، جامعة لندن
• صحيفة بيانات سلامة المواد لكربيد السيليكون