Использование кремния

Электроника 

Основная статья: Изготовление полупроводниковых устройств Дополнительная информация: Полупроводниковая промышленность Силиконовая пластина с зеркальным покрытием

Большая часть производимого элементарного кремния остается в виде ферросилициевого сплава, и только примерно 20% очищается до металлургической чистоты (всего 1,3–1,5 миллиона метрических тонн в год). По оценкам, 15% мирового производства кремния металлургического качества перерабатывается до полупроводниковой чистоты.  Обычно это монокристаллический материал «девять-9» или 99,9999999% чистоты ,  почти бездефектный . 

Монокристаллический кремний такой чистоты обычно производится с помощью процесса Чохральского , который используется для производства кремниевых пластин, используемых в полупроводниковой промышленности , в электронике и в некоторых дорогостоящих и высокоэффективных фотоэлектрических устройствах. Чистый кремний является внутренним полупроводником , что означает, что в отличие от металлов он проводит электронные дырки и электроны, высвобождаемые из атомов под действием тепла; Электропроводность кремния увеличивается с повышением температуры. Чистый кремний имеет слишком низкую проводимость (т.е. слишком высокое удельное сопротивление).) для использования в качестве схемного элемента в электронике. На практике чистый кремний легируется небольшими концентрациями некоторых других элементов, которые значительно увеличивают его проводимость и регулируют его электрический отклик, контролируя количество и заряд ( положительный или отрицательный ) активированных носителей. Такой контроль необходим для транзисторов , солнечных элементов , полупроводниковых детекторов и других полупроводниковых устройств, используемых в компьютерной промышленности и других технических приложениях.  В кремниевой фотонике кремний может использоваться как среда непрерывного рамановского лазера для получения когерентного света.

В обычных интегральных схемах пластина из монокристаллического кремния служит механической опорой для схем, которые создаются путем легирования и изолированы друг от друга тонкими слоями оксида кремния , изолятора, который легко создается на поверхностях Si с помощью процессов термического окисления. или локальное окисление (LOCOS) , при котором элемент подвергается воздействию кислорода в надлежащих условиях, которые можно предсказать с помощью модели Дила – Гроува . Кремний стал наиболее популярным материалом как для мощных полупроводников, так и для интегральных схем, поскольку он может выдерживать самые высокие температуры и наибольшую электрическую активность, не подвергаясь лавинному пробою (электронная лавина возникает, когда тепло производит свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, пропускают больше тока, что производит больше тепла). Кроме того, изолирующий оксид кремния не растворяется в воде, что дает ему преимущество перед германием (элементом с аналогичными свойствами, который также может использоваться в полупроводниковых устройствах) в некоторых технологиях изготовления. 

Монокристаллический кремний дорог в производстве и обычно оправдан только в производстве интегральных схем, где крошечные дефекты кристалла могут мешать прохождению крошечных цепей. Для других целей можно использовать другие типы чистого кремния. К ним относятся гидрогенизированный аморфный кремний и модернизированный кремний металлургической чистоты (UMG-Si), используемый в производстве недорогой электроники с большой площадью в таких приложениях, как жидкокристаллические дисплеи и малозатратные тонкопленочные солнечные батареи большой площади. клетки. Такие полупроводниковые марки кремния либо немного менее чистые, либо поликристаллические, а не монокристаллические, и производятся в сопоставимых количествах с монокристаллическим кремнием: от 75 000 до 150 000 метрических тонн в год. Рынок меньшего сорта кремния растет быстрее, чем монокристаллический кремний. К 2013 году производство поликристаллического кремния, используемого в основном в солнечных элементах, по прогнозам, достигнет 200 000 метрических тонн в год, в то время как производство монокристаллического кремния полупроводникового качества останется на уровне менее 50 000 тонн в год. 

Квантовые точки 

Кремниевые квантовые точки создаются путем термической обработки водородного силсесквиоксана в нанокристаллы размером от нескольких нанометров до нескольких микрон, демонстрируя люминесцентные свойства, зависящие от размера .  Нанокристаллы демонстрируют большие стоксовы сдвиги, преобразующие фотоны ультрафиолетового диапазона в фотоны видимого или инфракрасного диапазона, в зависимости от размера частиц, что позволяет использовать их в дисплеях с квантовыми точками и люминесцентных концентраторах солнечной энергии из-за их ограниченных возможностей. абсорбция. Преимущество использования квантовых точек на основе кремния по сравнению с кадмием или индием это нетоксичный кремний, не содержащий металлов. 

Еще одно применение кремниевых квантовых точек — обнаружение опасных материалов. Датчики используют люминесцентные свойства квантовых точек за счет гашения фотолюминесценции в присутствии опасного вещества. Существует множество методов обнаружения опасных химических веществ, некоторые из которых включают перенос электронов, резонансный перенос энергии флуоресценции и генерацию фототока. Тушение переноса электрона происходит, когда самая нижняя незанятая молекулярная орбиталь(НСМО) немного ниже по энергии, чем зона проводимости квантовой точки, что позволяет переносить электроны между ними, предотвращая рекомбинацию дырок и электронов внутри нанокристаллов. Эффект также может быть достигнут в обратном направлении, если у донорной молекулы самая высокая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО) немного выше края валентной зоны квантовой точки, что позволяет электронам перемещаться между ними, заполняя дырки и предотвращая рекомбинацию. Флуоресцентный резонансный перенос энергии происходит, когда между квантовой точкой и молекулой тушителя образуется комплекс. Комплекс будет продолжать поглощать свет, но когда энергия преобразуется в основное состояние, он не испускает фотон, гася материал. Третий метод использует другой подход, измеряя фототок, излучаемый квантовыми точками вместо наблюдения за фотолюминесцентным дисплеем. Если концентрация желаемого химического вещества увеличивается, тогда фототок, выделяемый нанокристаллами, в ответ изменится. 

Биологическая роль 

Диатомовая водоросль, заключенная в стенку клетки кремнезема

Хотя кремний легко доступен в виде силикатов , очень немногие организмы используют его напрямую. Диатомовые водоросли , радиолярии и кремнистые губки используют биогенный кремнезем в качестве структурного материала для своих скелетов. У более продвинутых растений фитолиты кремнезема ( фитолиты опала) представляют собой твердые микроскопические тела, встречающиеся в клетке; некоторым растениям, например рису , для роста нужен кремний.  Было показано, что кремний улучшает прочность стенок растительных клеток и структурную целостность некоторых растений. 

Влияние морских микробов 

Диатомовые водоросли используют кремний в форме биогенного кремнезема (BSIO 2 ) который поглощается транспортным белком кремния (SIT), который преимущественно используется в структуре клеточной стенки в виде панцирей. Кремний попадает в океан в растворенной форме, такой как кремниевая кислота или силикат.  Поскольку диатомовые водоросли являются одними из основных пользователей этих форм кремния, они вносят большой вклад в концентрацию кремния по всему океану. Кремний образует в океане профиль, похожий на питательные вещества из-за продуктивности диатомовых водорослей на небольших глубинах.  Следовательно, меньшая концентрация кремния в верхних слоях океана и большая концентрация кремния в глубоких / нижних слоях океана.

Продуктивность диатомовых водорослей в верхних слоях океана способствует увеличению количества кремния, экспортируемого в нижние слои океана. Когда клетки диатомовых водорослей лизируются в верхних слоях океана, их питательные вещества, такие как железо, цинк и кремний, попадают в нижние слои океана посредством процесса, называемого морским снегом. Морской снег предполагает перенос вниз твердых частиц органического вещества за счет вертикального перемешивания растворенных органических веществ.  Было высказано предположение, что кремний имеет решающее значение для продуктивности диатомовых водорослей, и до тех пор, пока диатомовые водоросли могут использовать кремниевую кислоту, диатомеи могут вносить вклад в другие важные концентрации питательных веществ в глубинах океана. 

В прибрежных зонах диатомовые водоросли служат основными фитопланктонными организмами и вносят большой вклад в производство биогенного кремнезема. Однако в открытом океане роль диатомовых водорослей в годовом мировом производстве кремнезема снижается. На диатомовые водоросли в субтропических круговоротах Северной Атлантики и Северной части Тихого океана приходится лишь около 5-7% мирового годового производства кремнезема. Южный океан производит около одной трети мирового морского биогенного кремнезема. Южный океан упоминается как имеющий «биогеохимический разрыв» поскольку из этого региона транспортируется лишь незначительное количество кремния.

Питание человека 

Есть некоторые свидетельства того, что кремний важен для здоровья человека для его ногтей, волос, костей и тканей кожи  например, в исследованиях, которые демонстрируют, что женщины в пременопаузе с более высоким потреблением кремния в рационе имеют более высокую плотность костей и что добавки кремния может увеличить объем и плотность костей у пациентов с остеопорозом .  Кремний необходим для синтеза эластина и коллагена , из которых аорта содержит наибольшее количество в организме человека,  и считается важным элементом ; тем не менее, трудно доказать его важность, потому что кремний очень распространен и, следовательно, трудно воспроизвести симптомы дефицита. 

Кремний в настоящее время рассматривается Ассоциацией американских чиновников по контролю за продуктами питания (AAPFCO), чтобы он получил статус «полезного для растений вещества». 

Безопасность

Люди могут подвергнуться воздействию элементарного кремния на рабочем месте, вдыхая его, глотая или контактируя с кожей или глазами. В последних двух случаях кремний представляет небольшую опасность в качестве раздражителя. Опасно при вдыхании.  Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) установило допустимый предел воздействия кремния на рабочем месте: общее воздействие 15 мг / м 3 и воздействие дыхательных путей 5 мг / м 3 в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) установила предел Рекомендуемый экспозиции (REL) от 10 мг / м 3 общей экспозиции и 5 мг / м 3респираторное воздействие в течение 8-часового рабочего дня.  Вдыхание пыли кристаллического кремнезема может привести к силикозу — профессиональному заболеванию легких, характеризующемуся воспалением и рубцеванием в виде узловых поражений в верхних долях легких . 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *