Silikon nitrida
Silikon nitrida adalah senyawa kimia dari unsur silikon dan nitrogen, dengan rumus. Ini adalah padatan putih dengan titik lebur tinggi yang relatif inert secara kimiawi. Ia dapat diserang oleh HF encer dan panas. sangat keras (8.5 pada skala Mohs). Ini adalah nitrida silikon yang paling stabil secara termodinamika dari. Oleh karena itu, adalah nitrida silikon yang
paling penting secara komersial dan umumnya dipahami sebagai apa yang disebut dimana istilah "silikon nitrida" digunakan.
Bobot sampel silikon meningkat secara progresif karena kombinasi kimia antara silikon dan nitrogen. Tanpa katalis besi, reaksinya selesai setelah beberapa jam (7), bila tidak terdeteksi kenaikan berat lebih lanjut akibat penyerapan nitrogen (per gram silikon). Selain, beberapa fase nitrida silikon lainnya (dengan rumus kimia yang sesuai dengan berbagai tingkat
nitratasi/keadaan oksidasi Si) telah dilaporkan dalam literatur. Misalnya, gas disilikon mononitrida (); silikon mononitrida (SiN), dan silikon seskuinitrida (), yang masing-masing merupakan fase stoikiometri. Seperti halnya refraktori lainnya, produk yang diperoleh melalui sintesis suhu tinggi ini bergantung pada kondisi reaksi (misalnya waktu,
suhu, dan bahan awal termasuk reaktan dan bahan wadah), serta cara pemurnian. Namun, keberadaan seskuinitrida sejak itu mulai dipertanyakan.
Nitridasi serbuk silikon dikembangkan pada tahun 1950an, mengikuti "penemuan kembali" silikon nitrida dan merupakan metode berskala besar pertama untuk produksi bubuk. Namun, penggunaan silikon mentah dengan kemurnian rendah menyebabkan silikon nitrida terkontaminasi dengan silikat dan besi. Dekomposisi diimida menghasilkan silikon nitrida amorf, yang memerlukan penguatan lebih
lanjut di bawah nitrogen pada 1400-1500 °C untuk mengubahnya menjadi bubuk kristal; ini sekarang merupakan rute terpenting kedua untuk produksi komersial. Reduksi karbotermal adalah metode yang paling awal digunakan untuk produksi silikon nitrida dan sekarang dianggap sebagai rute industri yang paling hemat biaya untuk silikon nitrida dengan kemurnian tinggi.
Film silikon nitrida kelas elektronik dibentuk dengan menggunakan deposisi uap kimia ("chemical vapor deposition", CVD), atau salah satu variannya, seperti "Plasma-enhanced chemical vapor deposition" (PECVD):
Konstanta kisi silikon nitrida dan silikon berbeda. Oleh karena itu, ketegangan atau stres dapat terjadi, tergantung pada proses pengendapan. Apalagi bila menggunakan teknologi PECVD, ketegangan ini bisa dikurangi dengan menyesuaikan parameter deposisi.
Kawat nano silikon nitrida juga dapat diproduksi dengan metode sol-gel yang menggunakan reduksi karbotermal diikuti dengan nitridasi silika gel, yang mengandung partikel karbon ultra halus. Partikel dapat diproduksi dengan dekomposisi dekstrosa pada kisaran suhu 1200-1350 °C. Reaksi sintesis yang mungkin terjadi adalah:
Silikon nitrida sulit diproduksi sebagai material curah-ia tidak dapat dipanaskan di atas 1850 °C, yang jauh di bawah titik lebur, karena disosiasi dengan silikon dan nitrogen. Oleh karena itu, penerapan teknik pelengketan tekanan panas konvensional bermasalah. Ikatan bubuk silikon nitrida dapat dicapai pada suhu yang lebih rendah dengan menambahkan bahan tambahan (zat pelengket atau
"pengikat") yang biasanya menginduksi tingkat sintering fase cair. Alternatif yang lebih bersih adalah dengan menggunakan sintering percikan plasma dimana pemanasan dilakukan dengan sangat cepat (hitungan detik) dengan melewatkan pulsa arus listrik melalui bubuk yang dipadatkan. Silikon nitrida padat telah diperoleh dengan teknik ini pada suhu 1500-1700 °C.
Terdapat tiga struktur [kristalografi] silikon nitrida (), yang ditetapkan sebagai fase ,  dan . Fase  dan  adalah bentuk yang paling umum dari, dan dapat dibuat di bawah kondisi tekanan normal. Fase  hanya bisa disintesis di bawah tekanan dan suhu tinggi dan memiliki kekerasan 35 GPa. - dan - memiliki struktur trigonal (simbol Pearson hP28, kelompok
ruang P31c, No. 159) dan heksagonal (hP14, P6, No. 173), yang dibangun berdasarkan pembagian sudut tetrahedra. Mereka dapat dianggap terdiri dari lapisan atom silikon dan nitrogen dalam urutan ABAB... atau ABCDABCD... masing-masing pada - dan -. Lapisan AB sama pada fase  dan , dan lapisan CD dalam fase  berhubungan dengan AB oleh bidang
"c-glide". Tetrahedra dalam - saling berhubungan sedemikian rupa sehingga terbentuk terowongan, berjalan sejajar dengan sumbu c sel satuan. Karena bidang "c-glide" yang menghubungkan AB dengan CD, struktur  mengandung rongga dan bukan terowongan. - kubik sering disebut sebagai modifikasi c dalam literatur, analog dengan modifikasi kubik boron nitrida (c-BN). Ini memiliki struktur tipe
spinel dimana dua atom silikon masing-masing mengkoordinasikan enam atom nitrogen secara oktahedral, dan satu atom silikon mengkoordinasikan empat atom nitrogen secara tetrahedral.
Urutan susunan yang lebih panjang menghasilkan fase  yang memiliki kekerasan lebih tinggi daripada fase . Namun, fase  secara kimia tidak stabil dibandingkan dengan fase . Pada suhu tinggi ketika terdapat fasa cair, fase  selalu berubah menjadi fase . Oleh karena itu, - adalah bentuk utama yang digunakan pada keramik.
Secara umum, isu utama dengan aplikasi silikon nitrida bukan kinerja teknis, tapi biaya. Seiring turunnya biaya, jumlah aplikasi produksi semakin cepat.
Salah satu aplikasi utama silikon nitrida adalah pada industri otomotif sebagai bahan untuk bagian-bagian mesin. Itu termasuk, mesin diesel, sumbat bara untuk start-up lebih cepat; ruang bakar muka (ruang pusaran) untuk emisi yang lebih rendah, start-up lebih cepat dan kebisingan yang lebih rendah; pengisi turbo untuk mengurangi kelambatan mesin dan emisi. Pada mesin
penyalaan busi, silikon nitrida digunakan untuk bantalan pelatuk klep untuk keausan yang lebih rendah, pengisi turbo untuk inersia yang lebih rendah dan sedikit kelambatan mesin, serta dalam katup pengendali gas buang untuk meningkatkan akselerasi. Sebagai contoh level produksi, diperkirakan ada lebih dari 300000 "turbocharger" silikon nitrida yang dibuat setiap tahunnya.
Bantalan silikon nitrida keduanya merupakan bantalan "full" keramik dan bantalan hibrida keramik dengan gotri terbuat dari keramik dan bantalan pacu terbuat dari baja. Keramik silikon nitrida memiliki ketahanan kejut yang baik dibandingkan dengan keramik lainnya. Oleh karena itu, bantalan gotri yang terbuat dari keramik silikon nitrida digunakan dalam "bearing" berkinerja tinggi.
Contoh yang representatif adalah penggunaan bantalan silikon nitrida dalam mesin utama Pesawat ulang-alik NASA.
Oleh karena bantalan gotri silikon nitrida lebih keras daripada logam, maka ini mengurangi kontak dengan jalur bantalan. Hal ini menghasilkan gesekan berkurang 80%, 3 sampai 10 kali lebih tahan lama, kelajuan 80% lebih tinggi, bobot 60% lebih rendah, kemampuan beroperasi dalam kondisi pelumasan kurang, ketahanan korosi yang lebih tinggi dan suhu operasi
yang lebih tinggi, dibandingkan dengan bantalan logam tradisional. Gotri silikon nitrida berbobot 79% lebih rendah daripada gotri tungsten karbida. Bantalan gotri silikon nitrida dapat ditemukan di bantalan otomotif "high end", bantalan industri, turbin angin, motor sport, sepeda, "rollerblade" dan papan luncur. Bantalan silikon nitrida sangat berguna dalam aplikasi dimana korosi, medan listrik atau medan
magnet menghindari penggunaan logam. Misalnya, pada meter arus pasang surut, dimana serangan air laut menjadi masalah, atau pada pencari medan listrik.
Silikon nitrida telah lama digunakan pada aplikasi suhu tinggi. Secara khusus, ia diidentifikasi sebagai salah satu dari beberapa bahan keramik monolitik yang mampu bertahan dari sengatan termal yang parah dan gradien termal yang dihasilkan pada mesin roket hidrogen/oksigen. Untuk menunjukkan kemampuan ini dalam konfigurasi yang kompleks, ilmuwan NASA menggunakan