SILICON NITRIDE (SI3N4): STRUKTUR, SIFAT, PRODUKSI, PENGGUNAAN - KIMIA - 2025

The silikon nitrida merupakan senyawa anorganik yang terdiri dari nitrogen (N) dan silikon (Si). Rumus kimianya adalah Si ₃ N ₄ . Ini adalah bahan abu-abu terang atau abu-abu terang dengan kekerasan dan ketahanan luar biasa terhadap suhu tinggi.

Karena sifatnya, silikon nitrida digunakan dalam aplikasi yang memerlukan ketahanan tinggi terhadap keausan dan suhu tinggi. Misalnya digunakan untuk membuat alat potong dan bantalan bola.

Bola silikon nitrida Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Sumber: Wikimedia Commons.

Ini digunakan dalam bagian-bagian mesin yang harus menahan gaya mekanis tinggi, seperti bilah turbin, yang seperti silinder besar di mana bilah harus berputar dengan kecepatan tinggi dengan aliran air atau gas, menghasilkan energi.

Keramik silikon nitrida digunakan untuk membuat bagian yang harus bersentuhan dengan logam cair. Mereka juga bisa digunakan sebagai pengganti tulang manusia atau hewan.

Si ₃ N ₄ memiliki sifat isolasi listrik, yaitu tidak mengirimkan listrik. Oleh karena itu dapat digunakan dalam aplikasi mikroelektronika atau pada perangkat elektronik yang sangat kecil.

Struktur

Dalam silikon nitrida, setiap atom silikon (Si) terikat secara kovalen dengan 4 atom nitrogen (N). Begitu pula sebaliknya, setiap atom nitrogen terikat pada 3 atom silikon.

Oleh karena itu, ikatannya sangat kuat dan memberikan stabilitas tinggi pada senyawa.

Struktur Lewis silikon nitrida Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Sumber: Wikimedia Commons.

Struktur tiga dimensi silikon nitrida Si ₃ N ₄ . Abu-abu = silikon; biru = nitrogen. Grasso Luigi. Sumber: Wikimedia Commons.

Silikon nitrida memiliki tiga struktur kristal: alfa (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) dan gamma (γ-Si ₃ N ₄ ). Alfa dan beta adalah yang paling umum. Gamma diperoleh pada tekanan dan suhu tinggi dan merupakan yang paling sulit.

Tata nama

• Silikon nitrida
• Trisilicon tetranitride

Properti

Keadaan fisik

Abu-abu terang pekat.

Berat molekul

140,28 g / mol

Titik lebur

1900 ºC

Massa jenis

3,44 g / cm ³

Kelarutan

Tidak larut dalam air. Larut dalam asam fluorida HF.

Sifat kimiawi

Ini adalah senyawa yang sangat stabil, karena cara atom silikon dan nitrogen terikat dalam Si ₃ N _4.

Silikon nitrida memiliki ketahanan yang sangat baik terhadap asam hidroklorik (HCl) dan sulfat (H ₂ SO ₄ ). Ini juga sangat tahan terhadap oksidasi. Ini tahan terhadap aluminium cor dan paduannya.

Sifat lainnya

Ini memiliki ketahanan yang baik terhadap kejutan termal, retensi kekerasan yang tinggi pada suhu tinggi, ketahanan yang sangat baik terhadap erosi dan keausan, dan ketahanan yang sangat baik terhadap korosi.

Ini memiliki kekerasan luar biasa yang memungkinkan penerapan ketebalan material yang tipis. Itu mempertahankan propertinya pada suhu tinggi.

Film silikon nitrida adalah penghalang yang sangat baik untuk difusi air, oksigen, dan logam, bahkan pada suhu tinggi. Mereka sangat keras dan memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, yang berarti mereka menghantarkan listrik dengan buruk, sehingga bertindak sebagai isolator listrik.

Karena semua alasan inilah bahan ini cocok untuk aplikasi suhu tinggi dan tekanan mekanis tinggi.

Memperoleh

Hal ini dapat diperoleh mulai dari reaksi antara amonia (NH ₃ ) dan silikon klorida (SiCl ₄ ), di mana _dihasilkan silikon amida Si (NH ₂ ) _4, yang bila dipanaskan membentuk imida dan kemudian silikon nitrida Si ₃ N ₄ .

Reaksinya dapat diringkas sebagai berikut:

Silikon klorida + Amonia → Silikon nitrida + Asam klorida

3 SiCl ₄ (gas) + 4 NH ₃ (gas) → Si ₃ N ₄ (padat) + 12 HCl (gas)

Itu juga diproduksi dengan memperlakukan silikon bubuk kompak (Si) dengan gas nitrogen (N ₂ ) pada suhu 1200-1400 ° C. Namun material ini memiliki mikroporositas 20-30% yang membatasi kekuatan mekaniknya.

3 Si (padat) + 2 N ₂ (gas) → Si ₃ N ₄ (padat)

Oleh karena itu serbuk Si ₃ N ₄ disinter menjadi keramik yang lebih padat, hal ini berarti serbuk tersebut mengalami tekanan dan temperatur tinggi.

Aplikasi

Di bidang elektronika

Silikon nitrida sering digunakan sebagai lapisan passivasi atau perlindungan di sirkuit terintegrasi dan struktur mikromekanis.

Sirkuit terpadu adalah struktur yang berisi komponen elektronik yang diperlukan untuk menjalankan suatu fungsi. Ini juga disebut chip atau microchip.

Silicon nitride Si ₃ N ₄ digunakan dalam pembuatan microchip. Pengunggah asli adalah Zephyris di Wikipedia bahasa Inggris. . Sumber: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ memiliki ketahanan yang sangat baik terhadap difusi air, oksigen dan logam seperti natrium, itulah sebabnya ia berfungsi sebagai lapisan atau penghalang isolasi.

Ini juga digunakan sebagai bahan dielektrik, ini berarti itu adalah konduktor listrik yang buruk, sehingga bertindak sebagai isolator untuk itu.

Ini berfungsi untuk aplikasi mikroelektronik dan fotonik (pembangkitan dan pendeteksian gelombang cahaya). Ini digunakan sebagai lapisan tipis pada lapisan optik.

Ini adalah bahan dielektrik yang paling umum digunakan dalam kapasitor untuk memori akses acak dinamis atau DRAM (Dynamic Random Access Memory), yang digunakan di komputer.

Memori DRAM digunakan di komputer atau komputer. Mungkin mengandung silikon nitrida. Victorrocha. Sumber: Wikimedia Commons.

Pada bahan keramik

Keramik silikon nitrida memiliki sifat kekerasan dan ketahanan tinggi terhadap keausan, itulah mengapa digunakan dalam aplikasi teknik tribologi, yaitu penggunaan di mana banyak gesekan dan keausan terjadi.

Dense Si ₃ N ₄ menunjukkan kekuatan fleksibel yang tinggi, ketahanan yang tinggi terhadap fraktur, ketahanan yang baik terhadap seret atau geser, kekerasan tinggi dan ketahanan yang sangat baik terhadap erosi.

Bola bantalan bola dengan berbagai ukuran dibuat dengan silikon nitrida. Mereka digunakan untuk digunakan dalam permesinan. Lucasbosch. Sumber: Wikimedia Commons.

Ini diperoleh ketika silikon nitrida diproses dengan sintering dalam fasa cair dengan menambahkan aluminium oksida dan yttrium oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) pada temperatur 1750-1900 ° C.

Sintering terdiri dari menundukkan bubuk majemuk ke tekanan dan suhu tinggi untuk mendapatkan bahan yang lebih padat dan lebih kompak.

Keramik silikon nitrida dapat digunakan misalnya pada peralatan peleburan aluminium, yaitu tempat yang sangat panas di mana terdapat aluminium cair.

Tabung penyegel terbuat dari keramik Si ₃ N ₄ dan digunakan dalam proses dengan aluminium cor. Hshkrc. Sumber: Wikimedia Commons.

Struktur keramik silikon nitrida memberikan peluang besar untuk mengoptimalkan properti untuk aplikasi tertentu sesuai dengan permintaan para insinyur. Bahkan banyak dari aplikasi potensinya yang belum terwujud.

Sebagai bahan biomedis

Sejak tahun 1989 telah ditetapkan bahwa Si ₃ N ₄ adalah bahan yang biokompatibel, yang berarti dapat menggantikan sebagian organisme hidup tanpa menyebabkan kerusakan dan memungkinkan regenerasi jaringan di sekitarnya.

Ini digunakan untuk membuat komponen untuk penggantian atau perbaikan tulang penyangga beban dan juga perangkat intervertebralis, yaitu benda-benda kecil yang memungkinkan perbaikan tulang belakang.

Dalam pengujian yang dilakukan pada tulang manusia atau hewan, penyatuan antara tulang dan implan atau potongan keramik Si ₃ N ₄ terjadi dalam waktu singkat .

Tulang tubuh manusia dapat diperbaiki atau diganti dengan bagian silikon nitrida. Penulis: Com329329. Sumber: Pixabay.

Silicon nitride tidak beracun, ia mendorong adhesi sel, proliferasi normal atau perkalian sel dan diferensiasi atau pertumbuhannya berdasarkan jenis sel.

Bagaimana Silicon Nitride untuk Biomedicine Dibuat

Untuk aplikasi ini, Si ₃ N ₄ sebelumnya mengalami proses sintering dengan aditif alumina dan yttrium oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Ini terdiri dari menerapkan tekanan dan suhu tinggi ke bubuk Si ₃ N ₄ ditambah aditif.

Prosedur ini memberi bahan yang dihasilkan kemampuan untuk mencegah pertumbuhan bakteri, mengurangi risiko infeksi, dan mendukung metabolisme sel tubuh.

Dengan demikian, ini membuka kemungkinan untuk mempercepat penyembuhan di perangkat perbaikan tulang.

Dalam berbagai aplikasi

Ini digunakan dalam aplikasi suhu tinggi yang memerlukan ketahanan terhadap keausan, seperti bantalan (suku cadang yang mendukung gerakan rotasi pada mesin) dan perkakas pemotong.

Ini juga digunakan dalam bilah turbin (mesin yang dibentuk oleh drum dengan bilah yang berputar saat mengalirkan air atau gas dan dengan demikian menghasilkan energi) dan koneksi pijar (sambungan pada suhu tinggi).

Mesin turbin atau pesawat terbang, bilahnya mungkin mengandung silikon nitrida. Penulis: Lars_Nissen_Photoart. Sumber: Pixabay.

Ini digunakan dalam tabung termokopel (sensor suhu), cawan lebur logam cair, dan injektor bahan bakar roket.

Referensi

1. Cotton, F. Albert dan Wilkinson, Geoffrey. (1980). Kimia Anorganik Lanjut. Edisi keempat. John Wiley & Sons.
2. Perpustakaan Kedokteran Nasional AS. (2019). Silicon Nitride. Dipulihkan dari pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (Editor). (1973). Buku Pegangan Kimia Lange. Edisi Kesebelas. Perusahaan Buku McGraw-Hill.
4. Zhang, JXJ dan Hoshino, K. (2019). Dasar-dasar nano / mikrofabrikasi dan efek skala. Di Sensor Molekuler dan Nanodevices (Edisi Kedua). Dipulihkan dari sciencedirect.com.
5. Drouet, C. dkk. (2017). Jenis keramik. Silicon nitride: sebuah pengantar. Dalam Kemajuan dalam Biomaterial Keramik. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Review dan Tinjauan tentang Silicon Nitride dan SiAlON, Termasuk Aplikasinya. Dalam Buku Pegangan Keramik Tingkat Lanjut (Edisi Kedua). Dipulihkan dari sciencedirect.com.
7. Ho, HL dan Iyer, SS (2001). DRAM. Masalah Kapasitansi Node. Dalam Ensiklopedia Bahan: Sains dan Teknologi. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Memahami keausan dan sifat tribologi komposit matriks keramik. Dalam Kemajuan dalam Komposit Matriks Keramik (Edisi Kedua). Dipulihkan dari sciencedirect.com.