碳化硅晶体结构
SiC是Si和C的唯一稳定化合物，其理化性质有许多独特之处。SiC晶体是目前所知最硬的物质之一，其硬度在20℃时高达莫氏9.2-9.3，仅次于金刚石(10)、立方BN(9.5)和BC(9.36);它又是一种化学性能十分稳定的材料，在1500℃下几乎不受任何实验室溶剂的刻蚀;SiC在常压下不能熔化，加热至2300℃左右即升华。碳化硅的另一重要特点是具有多种同素异构体( polytypes，或称同质异型体)。
理论上，碳化硅有无穷多种不同的结晶形态，迄今为止已观察到的同质异晶形态( polymorphism)就有200余种(一说170余种)。但所有这些同素异构体中只有一种属于立方晶系，即具有类似于砷化镓晶体结构的闪锌矿型3C-SiC，亦称β-SiC。其他同素异构体皆属六方晶系，其晶体结构或为六方体( Hexagonal)型，或为菱面六方体( Rhombohedral)型，分别用数字加字母H和R表示，例如6H-SiC、15R-SiC等。3C-SiC以外的所有SiC同素异构体统称α-SiC。在碳化硅晶体结构的这种命名方式中，字母代表的是晶体结构的类型，字母前的数字代表一个堆垛周期中包含的双原子层的数目。
尽管结晶碳化硅有这么多的同质异型体，但其结构规律并不十分复杂。所有这些同素异构体都可看成是由一种基本结构完全相同的正四面体型硅-碳双原子层堆垛而成，区分各种同素异构体的唯一依据就是这些双原子层的堆垛次序。
碳化硅是非常典型的共价键化合物，共价键成分占88%，离子键只占12%。在它的任何一种结晶形态中，每一个碳原子都被4个硅原子紧密包围着，每一个硅原子也都被4个碳原子紧密包围着。每个原子与其四个最近邻一起通过很强的SP3共价键结合成一个正四面体。两个最近邻原子之间的中心距为0.189mm。在构造各种碳化硅同素异构体模型的时候，无论是硅-碳原子双原子层还是这些双原子层的堆垛，都要服从这个基本规则，并且符合密堆积原则。
众所周知，单一种类原子的最密堆积方式是六角密集。在这种堆积方式下，同一层面的原子均匀分布在一个最小单元为正三角形的点阵中，形成两种不同的原子间隙，一种间隙的尖角向下，另一种间隙的尖角向上，如图1中字母a和b所示。为了实现最密的堆积，任何一层的原子必须与其相邻原子层的间隙相对。这样，一个参考原子层的上下两个相邻原子层只有两种对准方式:要么对准同一种间隙，要么各对准一种间隙;而其次近邻原子层也只有两种对准方式:要么隔着近邻原子层与其原子对原子、间隙对间隙，要么对准其近邻原子层空出的另一种间隙。这样，在所有原子层的堆垛中存在、且只存在最多三种不同的对准关系。如果我们分别用A、B和C来标识这样三种具有不同对准关系的原子层面，即以A表示参考层及与其原子对原子、间隙对间隙的其他等价原子层，以B和C分别表示以原子对间隙b的原子层和以原子对间隙c的原子层，则整个密堆积空间中的所有密排面都可分别用这3个字母或其中的两个来表示，从而写出密排面的堆垛次序。显然，最简单的两种堆垛次序是 ABCABC…和ABAB…。按 ABCABC次序堆垛起来的原子排列属立方结构，如金刚石;按ABAB次序堆垛起来的属六方结构，如金属锌。
对碳化硅的原子排列，需要从Si-C双原子层的堆垛顺序，即将双原子层作为一个整体的堆垛顺序来考虑。Si-C双原子层的基本结构单元由3个Si原子和位于这3个Si原子围成的正三角形之中心正上方的1个C原子构成，如图2下半部所示。这个单元的二维周期性延伸即构成一个完整的Si-C双原子层。其他各双原子层也应是Si原子在下、C原子在上，且由下面一层的C原子与上面一层的Si原子成键，将两个双原子层键合在一起。因而单就结构单元的键合而言，就形成了如图2所示的相向套构在一起的两个正四面体，即上面结构单元的一个Si原子与下面结构单元的3个Si原子和1个C原子构成一个顶角朝上的正四面体;下面结构单元的1个C原子则和上面结构单元的3个C原子和1个Si原子构成一个顶角朝下的正四面体。如果将下面的双原子层作为参照层，则上面的双原子层中的三个C原子是可以围绕其对称轴作刚性旋转的，因而这些C原子在参照层的Si原子平面上的投影可有两种不同的位置，分别如图3中的三角标志和方块标志所示。这就是说，双原子层同样可以按堆垛时的对准关系标识为A、B、C。按 ABCABC顺序堆垛而成的即是闪锌矿结构，就碳化硅而言即3C-SiC;按ABAB顺序堆垛而成的即是纤锌矿结构，对碳化硅面言就是2H-SiC。
对双原子层的堆垛来说，除了相邻两层不可以同种原子相接而外，其他对准关系都是有可能的。因而从理论上说，只要将AA、BB、CC这3种情况排除在外，在一个重复周期中包含任意多个A、B、C双原子层的任意组合都是可能的。这将产生无数种同素异构体，譬如2H-SiC、4H-SiC和6H-SiC等等，如图4所示。在已经观察到的碳化硅同素异构体中，最长的重复周期已达到594个双原子层。
因为六方结构的堆垛顺序是ABAB，也即六方结构的基本特征是每个双原子层的两个紧邻层具有相同的对准关系，因此，严格来说，α-SiC中只有堆垛顺序为ABA、CBC、BAB这样的对称部分才属于六方晶体。这就是说，除2H-SiC是100%的六方结构以外，其他形式的α-SiC都只包含了部分六方结构。对H系列的同素异构体而言，一个堆垛周期中包含的双原子层层数越多，其六方结构的比例就越小。一些比较常见的碳化硅同素异构体的名称及其堆垛顺序见表1。表中还对这此α-SiC列出了所含六方结构的百分比。
尽管在所有碳化硅同素异构体中的基本原子排列都具有Si-C正四面体位形，但若考虑到参考原子的次近邻及其以外原子的相对位置，在2H-SiC与3C-SiC之间，同种原子的位置显然是不等价的。而且在除2H-SiC以外的其他各种α-SiC，同素异构体中，不但相互之间存在原子位置的不等价问题，每一种同素异构体内部的同种原子也存在位置不等价的问题，即既存在着立方型正四面体位置和六方型正四面体位置的差别，也存在着这两种不等价位置在数量上的差别，譬如4H-SiC和6H-SiC的六方晶系型正四面体位置都是1，但立方型正四面体位置的数目则各为1和2，15R-SiC的这两种位置数目则分别为2和3，而2H-SiC只有六方型正四面体位置，3C-SiC只有立方型正四面体位置。
所有六方结构百分比低于100%的α-SiC都跟2H-SiC一样用4个密勒指数(h，k，l，m)来标识晶面。按惯例，前3个密勒指数分别表示该晶面在互成120°角的三根共面基轴a1、a2、a3上的截距分别为a1/h、a2/h、a3/l，第4个密勒指数则表示该晶面在垂直于a1a2a3平面的c轴上的截距为c/m。
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