Кремний Википедия

Кремний ( с ɪ л ɨ к ən / SIL -ə-kən или с ɪ л ɨ к ɒ п / SIL -ə-Kon ) является химическим элементом с символом Si   и атомный номер 14. Четырехвалентный металлоид, он менее реакционноспособен, чем его химический аналог углерод, неметалл непосредственно над ним в периодической таблице, но более реактивен, чем германий, металлоид непосредственно под ним в таблице. Споры о характере кремния восходят к его открытию: кремний был впервые получен и охарактеризован в чистом виде в 1824 году и получил название кремний (от латинского: кремний , кремни) с окончанием -ium, указывающим на металл. Однако его окончательное название, предложенное в 1831 году, отражает более физически похожие элементы — углерод и бор.

 

Кремний является восьмым по массе элементом во Вселенной, но очень редко встречается в природе как чистый свободный элемент. Он наиболее широко распространен в пыли, песках, планетоидах и планетах в виде различных форм диоксида кремния (кремнезема) или силикатов. Более 90% земной коры состоит из силикатных минералов, что делает кремний вторым по распространенности элементом в земной коре (около 28% по массе) после кислорода.

Большая часть кремния используется в коммерческих целях без разделения и, действительно, часто с небольшой обработкой соединений природой. Сюда входит прямое промышленное использование глины, кварцевого песка и камня в промышленных зданиях. Кремнезем используется в керамическом кирпиче. Силикат входит в портландцемент для приготовления строительного раствора и штукатурки, а в сочетании с кварцевым песком и гравием — для изготовления бетона. Силикаты также присутствуют в белой керамике, такой как фарфор, и в традиционном натриево-известковом стекле на основе кварца. Более современные соединения кремния, такие как карбид кремния, образуют абразивные материалы и высокопрочную керамику. Кремний является основой повсеместных синтетических полимеров на основе кремния, называемых силиконами.

Элементарный кремний также оказывает большое влияние на современную мировую экономику. Хотя большая часть свободного кремния используется в рафинировании стали, литье алюминия и тонкой химической промышленности (часто для производства коллоидного кремнезема), относительно небольшая часть очень очищенного кремния, который используется в полупроводниковой электронике (<10%), возможно, даже более критично. Из-за широкого использования кремния в интегральных схемах, составляющих основу большинства компьютеров, от него зависит большая часть современных технологий.

Кремний является важным элементом биологии, хотя животным, по-видимому, требуются лишь крошечные его следы, однако различным морским губкам нужен кремний, чтобы иметь структуру. Это гораздо более важно для метаболизма растений, особенно многих трав, и кремниевая кислота (разновидность кремнезема) составляет основу поразительного множества защитных панцирей микроскопических диатомовых водорослей.

Характеристики

Физический

Кремний является твердым веществом при комнатной температуре с относительно высокими температурами плавления и кипения, составляющими примерно 1400 и 2800 градусов Цельсия соответственно. Интересно, что кремний в жидком состоянии имеет большую плотность, чем в твердом. Следовательно, он не сжимается при замерзании, как большинство веществ, а расширяется, подобно тому, как лед менее плотен, чем вода, и имеет меньшую массу на единицу объема, чем жидкая вода. Обладая относительно высокой теплопроводностью 149 Вт · м -1 · К -1 , кремний хорошо проводит тепло и, как следствие, не часто используется для изоляции горячих предметов.

В кристаллической форме чистый кремний имеет серый цвет и металлический блеск. Как и германий, кремний довольно прочен, очень хрупок и склонен к сколам. Кремний, как углерод и германий, кристаллизуется в кубической кристаллической структуре алмаза с шагом решетки приблизительно 0,5430710 нм (5,430710 Å).

Внешняя электронная орбиталь кремния, как и углерода, имеет четыре валентных электрона. Подоболочки 1s, 2s, 2p и 3s полностью заполнены, в то время как подоболочка 3p содержит два электрона из шести возможных.

Чистый кремний имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, так как количество свободных носителей заряда увеличивается с температурой. Электрическое сопротивление монокристаллического кремния значительно изменяется под действием механического напряжения из-за пьезорезистивного эффекта.

Химическая

Кремний — это полупроводник, который либо жертвует, либо делится своими четырьмя внешними электронами, что обеспечивает множество различных форм химической связи. Хотя кремний, как и углерод, является относительно инертным элементом, он все же реагирует с галогенами и разбавленными щелочами, но большинство кислот (за исключением некоторых гиперреактивных комбинаций азотной кислоты и фтористоводородной кислоты) не оказывают на него известного влияния. Однако наличие четырех связывающих электронов дает ему, как и углероду, множество возможностей для объединения с другими элементами или соединениями при правильных обстоятельствах.

Изотопы

Встречающийся в природе кремний состоит из трех стабильных изотопов, кремния-28, кремния-29 и кремния-30, причем кремний-28 является наиболее распространенным (естественное содержание 92%). Из них только кремний-29 используется в спектроскопии ЯМР и ЭПР. Было охарактеризовано 20 радиоизотопов, наиболее стабильным из которых является кремний-32 с периодом полураспада 170 лет и кремний-31 с периодом полураспада 157,3 минуты. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее семи секунд, а у большинства из них период полураспада составляет менее одной десятой секунды. Кремний не имеет известных ядерных изомеров.

Изотопы кремния имеют массовые числа от 22 до 44. Наиболее распространенной формой распада шести изотопов с массовыми числами ниже, чем у наиболее распространенного стабильного изотопа кремния-28, является β+
, в первую очередь с образованием изотопов алюминия (13 протонов) в качестве продуктов распада. Наиболее распространенная мода (ы) распада для 16 изотопов с массовыми числами выше кремния-28 — β
, в первую очередь образуя изотопы фосфора (15 протонов) как продукты распада.

Вхождение

По массе кремний составляет 27,7% земной коры и является вторым по распространенности элементом земной коры, и только кислород имеет большее содержание. Кремний обычно находится в форме сложных силикатных минералов, реже в виде диоксида кремния ( кремнезем , основной компонент обычного песка). Чистые кристаллы кремния очень редко встречаются в природе.

Силикатные минералы — различные минералы, содержащие кремний, кислород и тот или иной металл — составляют 90% массы земной коры. Это связано с тем, что при высоких температурах, характерных для образования внутренней солнечной системы, кремний и кислород имеют большое сродство друг к другу, образуя сети из кремния и кислорода в химических соединениях с очень низкой летучестью. Поскольку кислород и кремний были наиболее распространенными негазовыми и неметаллическими элементами в мусоре от сверхновой пыли, которая сформировала протопланетный диск при формировании и эволюции Солнечной системы, они образовали множество сложных силикатов, которые срослись в более крупные скалистые планетезимали, которые сформировали планеты земной группы. Здесь восстановленная силикатная минеральная матрица захватила металлы, достаточно реактивные для окисления (алюминий, кальций, натрий, калий и магний). После потери летучих газов, а также углерода и серы в результате реакции с водородом эта силикатная смесь элементов сформировала большую часть земной коры. Силикаты имели относительно низкую плотность по отношению к железу, никелю и другим металлам, не реагирующим на кислород, и поэтому остатки несвязанного железа и никеля опустились в ядро ​​планеты, оставив над собой толстую мантию, состоящую в основном из силикатов магния и железа.

Примеры силикатных минералов в коре включают те, что входят в группы пироксена, амфибола, слюды и полевого шпата. Эти минералы встречаются в глине и различных типах горных пород, таких как гранит и песчаник.

Кремнезем встречается в минералах, состоящих из очень чистого диоксида кремния в различных кристаллических формах, кварца, агат-аметиста, горного хрусталя, халцедона, кремня, яшмы и опала. Кристаллы имеют эмпирическую формулу диоксида кремния, но не состоят из отдельных молекул диоксида кремния, как твердый диоксид углерода. Скорее кремнезем структурно представляет собой твердую сетку, состоящую из кремния и кислорода в трехмерных кристаллах, таких как алмаз. Менее чистый диоксид кремния образует обсидиан из натурального стекла. Биогенный кремнезем присутствует в структуре диатомовых водорослей, радиолярий и кремнистых губок.

Кремний также является основным компонентом многих метеоритов, а также является компонентом тектитов, силикатного минерала, возможно, лунного происхождения или (если происходящего с Земли), который подвергался необычным температурам и давлению, возможно, из-за удара метеорита.

Производство свободного кремния

Сплавы

Ферросилиций, железо-кремниевый сплав, содержащий различные соотношения элементарного кремния и железа, составляет около 80% мирового производства элементарного кремния, причем Китай, ведущий поставщик элементарного кремния, обеспечивает 4,6 миллиона тонн (или 2/3 мировое производство) кремния, большая часть которого находится в форме ферросилиция. Далее следуют Россия (610 000 т), Норвегия (330 000 т), Бразилия (240 000 т) и США (170 000 т). Ферросилиций в основном используется в сталелитейной промышленности (см. Ниже).

Алюминиево-кремниевые сплавы широко используются в литейной промышленности из алюминиевых сплавов, где кремний является единственной наиболее важной добавкой к алюминию, улучшающей его литейные свойства. Поскольку литой алюминий широко используется в автомобильной промышленности, такое использование кремния является самым крупным промышленным применением чистого кремния «металлургической чистоты» (так как этот очищенный кремний добавляют к чистому алюминию, тогда как ферросилиций никогда не очищают перед добавлением в сталь ).

Металлургический сорт

Элементарный кремний, не легированный значительными количествами других элементов и обычно> 95%, часто называют металлическим кремнием . На его долю приходится около 20% мирового производства элементарного кремния, при этом менее 1-2% общего элементарного кремния (5-10% кремния металлургической чистоты) когда-либо очищалось до более высоких классов для использования в электронике. Кремний металлургического сорта коммерчески получают реакцией кремнезема высокой чистоты с древесиной, древесным углем и углем в электродуговой печи с использованием угольных электродов. При температурах более 1900 ° C (3450 ° F) углерод в вышеупомянутых материалах и кремний подвергаются химической реакции SiO 2.+ 2 C → Si + 2 CO. Жидкий кремний собирается на дне печи, которую затем сливают и охлаждают. Кремний, полученный с помощью этого процесса, называется кремнием металлургического сорта и имеет чистоту не менее 98%. При использовании этого метода карбид кремния (SiC) может также образовываться из избытка углерода одним или обоими из следующих способов: SiO 2 + C → SiO + CO или SiO + 2 C → SiC + CO. Однако при условии концентрации SiO 2 поддерживается на высоком уровне, карбид кремния может быть удален с помощью химической реакции 2 SiC + SiO 2 → 3 Si + 2 CO.

Как отмечалось выше, кремний металлургического сорта «металл» в основном используется в индустрии литья алюминия для изготовления деталей из алюминиево-кремниевого сплава. Остальная часть (около 45%) используется в химической промышленности, где в основном используется для производства коллоидального кремнезема.

По состоянию на сентябрь 2008 года металлургический кремний стоил около 1,45 доллара США за фунт (3,20 доллара за кг), по сравнению с 0,77 доллара за фунт (1,70 доллара за кг) в 2005 году.

Электронный класс

Использование кремния в полупроводниковых устройствах требует гораздо большей чистоты, чем кремний металлургической чистоты. Очень чистый кремний (> 99,9%) может быть извлечен непосредственно из твердого кремнезема или других соединений кремния электролизом расплавленных солей. Этот метод, известный еще в 1854 году (см. Также Кембриджский процесс FFC), может напрямую производить кремний солнечного качества без каких-либо выбросов углекислого газа при гораздо меньшем потреблении энергии.

Кремний солнечного качества нельзя использовать для полупроводников, где чистота должна быть предельной, чтобы можно было правильно контролировать процесс. Объемные кремниевые пластины, используемые в начале процесса изготовления интегральных схем, должны сначала быть очищены до чистоты «девять девяток» (99,9999999%), процесс, который требует многократного применения технологии очистки.

Большинство кристаллов кремния, выращиваемых для производства устройств, производятся с помощью процесса Чохральского (CZ-Si), поскольку это самый дешевый из доступных методов и он позволяет производить кристаллы большого размера. Однако монокристаллы, выращенные методом Чохральского, содержат примеси, поскольку тигель, содержащий расплав, часто растворяется. Исторически сложилось так, что для производства кремния сверхвысокой чистоты использовался ряд методов.

Ранние методы очистки кремния основывались на том факте, что если кремний плавится и повторно затвердевает, последние части массы, которые должны затвердеть, содержат большую часть примесей. Самый ранний метод очистки кремния, впервые описанный в 1919 году и использовавшийся в ограниченных количествах для изготовления компонентов радаров во время Второй мировой войны, включал дробление кремния металлургического качества и затем частичное растворение кремниевого порошка в кислоте. При раздавливании кремний треснул, так что более слабые богатые примесями области оказались на внешней стороне образовавшихся зерен кремния. В результате кремний, богатый примесями, первым растворился при обработке кислотой, оставив после себя более чистый продукт.

При зонной плавке, также называемой зонным рафинированием, первом методе очистки кремния, широко используемом в промышленности, стержни из металлургического кремния нагревают до плавления с одного конца. Затем нагреватель медленно перемещается вниз по длине стержня, сохраняя небольшую длину стержня в расплавленном состоянии, пока кремний охлаждается и повторно затвердевает за ним. Поскольку большинство примесей, как правило, остаются в расплавленной области, а не повторно затвердевают, по завершении процесса большая часть примесей в стержне будет перемещена в конец, который расплавился последним. Затем этот конец отрезают и выбрасывают, и процесс повторяется, если требуется еще более высокая чистота.

Одно время компания DuPont производила сверхчистый кремний путем реакции тетрахлорида кремния с парами высокочистого цинка при 950 ° C, производя кремний из SiCl 4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl 2 . Однако этот метод имел практические проблемы (например, линии отверждения побочного продукта хлорида цинка и засорения), и в конечном итоге от него отказались в пользу процесса Сименса. В процессе Сименс кремниевые стержни высокой чистоты подвергаются воздействию трихлорсилана при 1150 ° C. Газ трихлорсилан разлагается и осаждает дополнительный кремний на стержнях, увеличивая их размеры, поскольку 2 HSiCl 3 → Si + 2 HCl + SiCl 4 . Кремний, полученный с помощью этого и подобных процессов, называется поликристаллическим кремнием.. Поликристаллический кремний обычно имеет уровень примесей менее одной части на миллиард.

В 2006 году РЭК объявил о строительстве завода по технологии псевдоожиженного слоя (FB) с использованием силана: 3 SiCl 4 + Si + 2 H 2 → 4 HSiCl 3 , 4 HSiCl 3 → 3 SiCl 4 + SiH 4 , SiH 4 → Si + 2. H 2 . Преимущество технологии псевдоожиженного слоя заключается в том, что процессы могут выполняться непрерывно, обеспечивая более высокий выход, чем процесс Siemens, который является периодическим процессом.

Сегодня кремний очищают, превращая его в соединение кремния, которое легче очистить дистилляцией, чем в исходном состоянии, а затем превращая это соединение кремния обратно в чистый кремний. Трихлорсилан — это соединение кремния, наиболее часто используемое в качестве промежуточного продукта, хотя также используются тетрахлорид кремния и силан. Когда эти газы продуваются над кремнием при высокой температуре, они разлагаются до кремния высокой чистоты.

Кроме того, существует процесс Шумахера , в котором вместо трихлорсилана используется трибромсилан и технология псевдоожиженного слоя. Для этого требуются более низкие температуры осаждения, более низкие капитальные затраты на строительство и эксплуатацию, отсутствие опасных полимеров или взрывчатых материалов, а также отсутствие отходов аморфной кремниевой пыли — все это является недостатком процесса Сименс. Однако до сих пор нет крупных заводов, построенных на этом процессе.

Соединения

  • Кремний образует бинарные соединения, называемые силицидами, со многими металлическими элементами, свойства которых варьируются от реактивных соединений, например силицида магния, Mg 2 Si, до тугоплавких соединений с высокой температурой плавления, таких как дисилицид молибдена, MoSi 2 . Неизвестный тег расширения «ref»
  • Карбид кремния SiC (карборунд) — твердое, высокоплавкое твердое вещество и хорошо известный абразив. Из него также может быть спечена высокопрочная керамика, используемая в броне.
  • Силан SiH 4 представляет собой пирофорный газ с тетраэдрической структурой, подобной метану CH 4 . В чистом виде не реагирует с чистой водой или разбавленными кислотами; однако даже небольшое количество щелочных примесей из лабораторного стекла может привести к быстрому гидролизу. Неизвестный тег расширения «ref» Существует ряд связанных гидридов кремния, которые образуют гомологичный ряд соединений, Si n H n +2, где n = 2–8 (аналог алканов). Все они легко гидролизуются и термически нестабильны, особенно более тяжелые элементы. Неизвестный тег расширения «ref»
  • Дисилены содержат двойную связь кремний-кремний (аналогичную алкенам) и обычно обладают высокой реакционной способностью, требующей больших групп заместителей для их стабилизации. Дисилин с тройной связью кремний-кремний был впервые выделен в 2004 году; хотя, поскольку соединение является нелинейным, связывание отличается от связывания в алкинах.
  • Тетрагалогениды SiX 4 образуются со всеми галогенами. Неизвестная метка расширения «ref» , например, четыреххлористый кремний реагирует с водой, в отличие от своего углеродного аналога, четыреххлористого углерода. Неизвестный удлинительный тег «ref» Дигалогениды кремния образуются в результате высокотемпературной реакции тетрагалогенидов и кремния; со структурой, аналогичной карбену, они являются химически активными соединениями. Дифторид кремния конденсируется с образованием полимерного соединения (SiF 2 ) n .
  • Диоксид кремния представляет собой высокоплавкое твердое вещество с множеством различных кристаллических форм; самый известный из которых — минерал кварц. В кварце каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, которые соединяются с другими атомами кремния, образуя трехмерную решетку. Неизвестный удлинительный тег «ref». Кремнезем растворим в воде при высоких температурах, образуя ряд соединений, называемых монокремниевой кислотой Si (OH) 4 . Неизвестный тег расширения «ref»
  • При правильных условиях монокремниевая кислота легко полимеризуется с образованием более сложных кремниевых кислот, начиная от простейшего конденсата, дисиликатной кислоты (H 6 Si 2 O 7 ) и заканчивая линейными, ленточными, слоистыми и решетчатыми структурами, которые составляют основу многих различных силикатных минералов. и называются поликремневыми кислотами {Si x (OH) 4–2x } n . Неизвестный тег расширения «ref»
  • С оксидами других элементов высокотемпературная реакция диоксида кремния может дать широкий спектр стекол с различными свойствами. Неизвестный тег расширения «ref». Примеры включают натриево-кальциевое стекло, боросиликатное стекло и свинцовый хрусталь.
  • Сульфид кремния SiS 2 представляет собой твердое полимерное вещество (в отличие от своего углеродного аналога жидкого CS 2 ). Неизвестный тег расширения «ref»
  • Кремний образует нитрид Si 3 N 4, который представляет собой керамику. Неизвестный тег расширения «ref» Силатраны, группа трициклических соединений, содержащих пятикоординированный кремний, могут обладать физиологическими свойствами.
  • В настоящее время известно множество комплексов переходных металлов, содержащих связь металл-кремний, которые включают комплексы, содержащие лиганды SiH n X 3− n, лиганды SiX 3 и лиганды Si (OR) 3 .
  • Силиконы — это большая группа полимерных соединений с основной цепью (Si-O-Si). Примером может служить силиконовое масло PDMS (полидиметилсилоксан). Эти полимеры могут быть сшиты для получения смол и эластомеров. Неизвестный тег расширения «ref»
  • Известно много кремнийорганических соединений, содержащих одинарную связь кремний-углерод. Многие из них основаны на центральном тетраэдрическом атоме кремния, а некоторые оптически активны, когда существует центральная хиральность. Известны длинноцепочечные полимеры, содержащие кремниевый каркас, такие как полидиметилсилилен (SiMe 2 ) n . Поликарбосилан, п с позвоночником , содержащий повторяющееся звено -Si-Si-C, является предшественником в производстве карбида кремния волокон.

История

Впервые внимание к кварцу как возможному оксиду фундаментального химического элемента было привлечено Антуаном Лавуазье в 1787 году. Считается, что в 1811 году Гей-Люссак и Тенар получили нечистый аморфный кремний путем нагревания недавно выделенного металлического калия с тетрафторидом кремния , но они не очищали и не характеризовали продукт, не идентифицировали его как новый элемент. В 1824 году Берцелиус приготовил аморфный кремний, используя примерно тот же метод, что и Гей-Люссак (металлический калий и фторосиликат калия), но очистив продукт до коричневого порошка путем многократной промывки. Он назвал продукт Кремний от латинского Silex , silicisдля кремня, кремня и добавления окончания «-ium», потому что он считал, что это металл. В результате ему обычно приписывают открытие элемента. Современное название кремнию дал в 1831 году шотландский химик Томас Томсон. Он сохранил часть имени Берцелиуса, но добавил «-он», потому что считал кремний неметаллом, более похожим на бор и углерод.

Кремний в его более распространенной кристаллической форме был получен Девилем лишь 31 год спустя. Путем электролиза нечистого хлорида натрия-алюминия, содержащего примерно 10% кремния, он смог получить в 1854 году слегка загрязненный аллотроп кремния. Позже были разработаны более экономичные методы выделения кремния в нескольких аллотропных формах.

Поскольку кремний является важным элементом полупроводников и высокотехнологичных устройств, многие места в мире носят его название. Например, Кремниевая долина в Калифорнии, поскольку она является базой для ряда отраслей, связанных с технологиями, носит название « кремний» . С тех пор в честь кремния были названы и другие географические регионы, связанные с промышленностью. Примеры включают Silicon Forest в Орегоне, Silicon Hills в Остине, Техас, Silicon Saxony в Германии, Кремниевую долину в Индии, Silicon Border в Мехикали, Мексика, Silicon Fen в Кембридже, Англия, и Silicon Gorge в Бристоле, Англия.

Приложения

Соединения

Большая часть кремния используется в промышленности без разделения на элементы и, действительно, часто с относительно небольшой обработкой естественным образом. Более 90% земной коры состоит из силикатных минералов. Многие из них имеют прямое коммерческое использование, например, глины, кварцевый песок и большинство видов строительного камня. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев кремний используется в качестве структурных соединений, например, силикатных минералов или кремнезема (неочищенный диоксид кремния). Например, кремнезем — важная часть керамического кирпича. Силикаты используются при производстве портландцемента, который используется в строительном растворе и штукатурке, но, что более важно, в сочетании с кварцевым песком и гравием (обычно содержащим силикатные минералы, такие как гранит), для изготовления бетона, который является основой большинства самых крупных промышленных предприятий. строительные проекты современного мира.Неизвестный тег расширения «ref»

Силикатные минералы также присутствуют в белой керамике, важном классе продуктов, обычно содержащих различные типы обожженной глины (природный силикат алюминия). Примером может служить фарфор на основе силикатного минерала каолинита. К керамике относятся предметы искусства, а также бытовые, промышленные и строительные изделия. Традиционное натриево-известковое стекло на основе кварца также выполняет многие из тех же функций.

Более современные соединения кремния также используются в качестве высокотехнологичных абразивов и новой высокопрочной керамики на основе карбида кремния, а также в суперсплавах.

Чередующиеся кремний-кислородные цепи с водородом, прикрепленным к оставшимся кремниевым связям, образуют вездесущие полимерные материалы на основе кремния, известные как силиконы. Эти соединения, содержащие кремний-кислородные и иногда кремний-углеродные связи, обладают способностью действовать как промежуточные соединения между стеклом и органическими соединениями и образовывать полимеры с такими полезными свойствами, как непроницаемость для воды, гибкость и устойчивость к химическому воздействию. Силиконы часто используются в гидроизоляционных покрытиях, формовочных смесях, смазках для форм, механических уплотнениях, высокотемпературных консистентных смазках и восках, а также в герметиках. Силикон также иногда используется в грудных имплантатах, контактных линзах, взрывчатых веществах и пиротехнике. Первоначально Silly Putty изготавливали путем добавления борной кислоты в силиконовое масло.

Сплавы

Элементарный кремний добавляют в расплавленный чугун в виде сплавов ферросилиция или силикокальция для улучшения характеристик при литье тонких профилей и предотвращения образования цементита при воздействии внешнего воздуха. Присутствие элементарного кремния в расплавленном чугуне действует как поглотитель кислорода, так что содержание углерода в стали, которое должно поддерживаться в узких пределах для каждого типа стали, можно более тщательно контролировать. Производство и использование ферросилиция контролирует сталелитейную промышленность, и, хотя эта форма элементарного кремния является нечистой, на нее приходится 80% мирового использования свободного кремния.

Свойства самого кремния можно использовать для модификации сплавов. Важность кремния в литье алюминия заключается в том, что значительное количество (12%) кремния в алюминии образует эвтектическую смесь, которая затвердевает с очень небольшим тепловым сжатием. Это значительно снижает разрыв и трещины, образующиеся в результате напряжения, когда литейные сплавы остывают до твердости. Кремний также значительно улучшает твердость и, следовательно, износостойкость алюминия. Кремний — важный компонент электротехнической стали, изменяющий ее удельное сопротивление и ферромагнитные свойства.

Кремний металлургической чистоты — это кремний чистотой 95–99%. Около 55% мирового потребления кремния металлургической чистоты идет на производство алюминиево-кремниевых сплавов для литья алюминиевых деталей, в основном для использования в автомобильной промышленности. Причина большого использования кремния в этих сплавах указана выше. Большая часть остального металлургического кремния используется в химической промышленности для производства коллоидного кремнезема, важного промышленного продукта. Остальная часть используется в производстве других тонких химикатов, таких как силаны и некоторые типы силиконов.

Электроника

Поскольку большая часть производимого элементарного кремния остается в виде сплава ферросилиция, только относительно небольшое количество (20%) произведенного элементарного кремния очищается до металлургической чистоты (всего 1,3–1,5 миллиона метрических тонн в год). Доля металлического кремния, который дополнительно очищается до полупроводниковой чистоты, оценивается всего в 15% мирового производства кремния металлургического качества. Однако экономическая важность этой небольшой фракции очень высокой чистоты (особенно ~ 5%, которая перерабатывается в монокристаллический кремний для использования в интегральных схемах) непропорционально велика.

Чистый монокристаллический кремний используется для производства кремниевых пластин, используемых в полупроводниковой промышленности, в электронике и в некоторых дорогостоящих и высокоэффективных фотоэлектрических устройствах. С точки зрения проводимости заряда чистый кремний является внутренним полупроводником, что означает, что в отличие от металлов он проводит электронные дырки и электроны, которые могут высвобождаться из атомов внутри кристалла под действием тепла и, таким образом, увеличивать электрическую проводимость кремния при более высоких температурах. Чистый кремний имеет слишком низкую проводимость, чтобы его можно было использовать в качестве элемента схемы в электронике без добавления некоторых других элементов в небольших концентрациях. Этот процесс значительно увеличивает его проводимость и регулирует его электрический отклик, контролируя количество и заряд (положительный или отрицательный) активированных носителей. Такой контроль необходим для транзисторов, солнечных элементов, полупроводниковые детекторы и другие полупроводниковые устройства, которые используются в компьютерной индустрии и других технических приложениях. Например, в кремниевой фотонике кремний можно использовать в качестве среды непрерывного рамановского лазера для получения когерентного света, хотя он неэффективен в качестве повседневного источника 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 получить, подвергая элемент воздействию кислорода под воздействием кислорода. надлежащие условия. Кремний стал самым популярным материалом для создания как мощных полупроводников, так и интегральных схем, поскольку из-за всех элементов кремний является полупроводником, который может выдерживать самые высокие мощности и температуры, не выходя из строя из-за лавинообразного пробоя, процесса, в котором электронная лавина создается цепной реакцией, в которой тепло производит свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, производят больше тока, что дает больше тепла. Кроме того, изолирующий оксид кремния не растворяется в воде,

Монокристаллический кремний стоит дорого 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, которые не существуют в виде монокристаллов. К ним относятся гидрогенизированный аморфный кремний и модернизированный кремний металлургической чистоты (UMG-Si), которые используются в производстве недорогой электроники большой площади в таких приложениях, как жидкокристаллические дисплеи, а также в производстве недорогих и тонких дисплеев большой площади. -пленочные солнечные элементы. Такие полупроводниковые марки кремния, которые либо немного менее чисты, чем те, которые используются в интегральных схемах, либо которые производятся в поликристаллической, а не монокристаллической форме, составляют примерно такое же количество кремния, которое производится для промышленности монокристаллических кремний полупроводников. или от 75 000 до 150 000 метрических тонн в год. Однако производство таких материалов для рынка интегральных схем растет быстрее, чем 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 полупроводникового кремния (используемого в компьютерных микрочипах) останется ниже 50 000 тонн в год.

Биологическая роль

Хотя кремний легко доступен в форме силикатов, очень немногие организмы находят в нем применение. Диатомовые водоросли, радиолярии и кремнистые губки используют биогенный кремнезем в качестве структурного материала для построения 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. Хотя кремний был предложен в качестве ультра-следового питания, его точное назначение в биологии животных все еще обсуждается. Известно, что высшие организмы используют его только в очень ограниченных случаях в форме кремниевой кислоты и растворимых силикатов.

Кремний в настоящее время рассматривается Ассоциацией американских чиновников по контролю за продуктами питания (AAPFCO), чтобы он получил статус «полезного для растений вещества». В университетских и полевых исследованиях было показано, что кремний улучшает прочность стенок растительных клеток и структурную целостность, улучшает засухо- и морозостойкость, снижает потенциал полегания и улучшает естественные системы борьбы с вредителями и болезнями растений. Было также показано, что кремний улучшает жизнеспособность и физиологию растений за счет увеличения массы и плотности корней, а также увеличения биомассы надземных растений и урожайности сельскохозяйственных культур.

Гипотетические формы жизни на основе кремния являются предметом кремниевой биохимии по аналогии с формами жизни на основе углерода. Считается, что кремний, находящийся ниже углерода в периодической таблице, обладает достаточно похожими свойствами, которые делают возможной жизнь на основе кремния, но сильно отличаются от той жизни, которую мы знаем.