Silicon là gì? Vì sao silicon là vật liệu phổ biến trong ngành bán dẫn?

Tên silicon bắt nguồn từ tiếng Latin silex hoặc silicis, có nghĩa là “đá lửa” hoặc “đá cứng”. Silic nguyên tố vô định hình lần đầu tiên được phân lập và mô tả như một nguyên tố vào năm 1824 bởi Jöns Jacob Berzelius, một nhà hóa học người Thụy Điển. Silic không tinh khiết đã được thu được vào năm 1811. Silic nguyên tố tinh thể không được chế tạo cho đến năm 1854, khi nó được thu được dưới dạng sản phẩm của quá trình điện phân. Ở dạng pha lê đá, silic đã quen thuộc với người Ai Cập thời tiền triều đại, những người sử dụng nó để làm hạt cườm và bình nhỏ; với người Trung Quốc thời kỳ đầu; và có lẽ với nhiều người khác thời cổ đại. Việc sản xuất thủy tinh chứa silica đã được thực hiện bởi cả người Ai Cập – ít nhất là từ năm 1500 trước Công nguyên – và người Phoenicia. Chắc chắn, nhiều hợp chất tự nhiên được gọi là silicat đã được sử dụng trong nhiều loại vữa khác nhau để xây dựng nhà ở của những người đầu tiên.

Sự xuất hiện và phân bố

Trên cơ sở trọng lượng, sự phong phú của silic trong lớp vỏ Trái đất chỉ bị vượt qua bởi oxy. Ước tính về sự phong phú trong vũ trụ của các nguyên tố khác thường được trích dẫn theo số lượng nguyên tử của chúng trên 106 nguyên tử silic. Chỉ có hydro , heli , oxy , neon , nitơ và cacbon vượt quá silic về sự phong phú trong vũ trụ. Silic được cho là sản phẩm vũ trụ của sự hấp thụ hạt alpha , ở nhiệt độ khoảng 109 K, bởi các hạt nhân của cacbon-12, oxy-16 và neon-20. Năng lượng liên kết các hạt tạo thành hạt nhân silic là khoảng 8,4 triệu electron vôn (MeV) trên mỗi nucleon ( proton hoặc neutron ). So với mức tối đa khoảng 8,7 triệu electron vôn đối với hạt nhân sắt , có khối lượng gần gấp đôi so với silic, con số này chỉ ra tính ổn định tương đối của hạt nhân silic.

Silic nguyên chất quá phản ứng để có thể tìm thấy trong tự nhiên, nhưng nó được tìm thấy trong hầu hết các loại đá cũng như trong cát , đất sét và đất , kết hợp với oxy dưới dạng silica (SiO 2 , silicon dioxide) hoặc với oxy và các nguyên tố khác (ví dụ, nhôm , magiê , canxi , natri , kali hoặc sắt) dưới dạngsilicat . Dạng oxy hóa, như silicon dioxide và đặc biệt là silicat, cũng phổ biến trong lớp vỏ Trái đất và là thành phần quan trọng của lớp phủ Trái đất. Các hợp chất của nó cũng có trong tất cả các vùng nước tự nhiên, trong khí quyển (dưới dạng bụi silic), trong nhiều loại thực vật và trong bộ xương, mô và dịch cơ thể của một số động vật.

Trong các hợp chất, silicon dioxide có trong cả khoáng chất kết tinh (ví dụ, thạch anh , cristobalite , tridymite ) và khoáng chất vô định hình hoặc có vẻ vô định hình (ví dụ, agate , opal , canxedon ) ở tất cả các vùng đất. Silicat tự nhiên được đặc trưng bởi sự phong phú, phân bố rộng rãi và sự phức tạp về cấu trúc và thành phần. Hầu hết các nguyên tố của các nhóm sau trong bảng tuần hoàn đều có trong khoáng chất silicat: Nhóm 1–6, 13 và 17 (I–IIIa, IIIb–VIb và VIIa). Các nguyên tố này được cho là ưa đá hoặc ưa đá. Các khoáng chất silicat quan trọng bao gồm đất sét, fenspat , olivin , pyroxen , amphibole , mica và zeolit.

Tính chất của nguyên tố

Silic nguyên tố được sản xuất thương mại bằng cách khử silica (SiO 2 ) với than cốc trong lò điện , và sau đó tinh chế sản phẩm không tinh khiết. Ở quy mô nhỏ, có thể thu được silic từ oxit bằng cách khử với nhôm. Silic gần như tinh khiết thu được bằng cách khử silic tetraclorua hoặc trichlorosilane. Để sử dụng trong các thiết bị điện tử, các tinh thể đơn được phát triển bằng cách rút chậm các tinh thể hạt giống từ silic nóng chảy.

Silic tinh khiết là một chất rắn cứng, màu xám đen có ánh kim và có cấu trúc tinh thể bát diện giống như cấu trúc của dạng kim cương của cacbon, mà silic có nhiều điểm tương đồng về mặt hóa học và vật lý. Năng lượng liên kết giảm trong silic tinh thể làm cho nguyên tố này nóng chảy chậm hơn, mềm hơn và phản ứng hóa học mạnh hơn kim cương. Một dạng silic vô định hình, dạng bột, màu nâu đã được mô tả cũng có cấu trúc vi tinh thể.

Vì silic tạo thành các chuỗi tương tự như các chuỗi được tạo thành bởi cacbon, silic đã được nghiên cứu như một nguyên tố cơ bản có thể có cho các sinh vật silic. Tuy nhiên, số lượng hạn chế các nguyên tử silic có thể tạo thành chuỗi catate làm giảm đáng kể số lượng và sự đa dạng của các hợp chất silic so với các hợp chất của cacbon. Các phản ứng oxy hóa-khử dường như không thể đảo ngược ở nhiệt độ thông thường. Chỉ có trạng thái oxy hóa 0 và +4 của silic là ổn định trong các hệ thống nước.

Silic, giống như cacbon, tương đối không hoạt động ở nhiệt độ thường; nhưng khi được đun nóng, nó phản ứng mạnh với các halogen (flo, clo , brom và iốt) để tạo thành halide và với một số kim loại để tạo thành silicide. Giống như cacbon, các liên kết trong silic nguyên tố đủ mạnh để đòi hỏi năng lượng lớn để kích hoạt hoặc thúc đẩy phản ứng trong môi trường axit, do đó nó không bị ảnh hưởng bởi axit ngoại trừ axit flohydric. Ở nhiệt độ đỏ, silic bị hơi nước hoặc oxy tấn công, tạo thành lớp bề mặtsilicon dioxide . Khi silicon và carbon được kết hợp ở nhiệt độ lò điện (2.000–2.600 °C [3.600–4.700 °F]), chúng tạo thành silicon carbide (carborundum, SiC), là một chất mài mòn quan trọng. Với hydro , silicon tạo thành một loạt các hydride , silane. Khi kết hợp với các nhóm hydrocarbon, silicon tạo thành một loạt các hợp chất silicon hữu cơ.

Có ba đồng vị bền của silic được biết đến:silic-28, chiếm 92,21 phần trăm nguyên tố này trong tự nhiên;silic-29, 4,70 phần trăm; vàsilic-30, 3,09 phần trăm. Có năm đồng vị phóng xạ được biết đến.

Silic nguyên tố và hầu hết các hợp chất chứa silic có vẻ không độc hại. Thật vậy, mô người thường chứa 6 đến 90 miligam silica (SiO 2 ) trên 100 gam trọng lượng khô, và nhiều loại thực vật và các dạng sống thấp hơn đồng hóa silica và sử dụng nó trong cấu trúc của chúng. Tuy nhiên, hít phải bụi chứa alpha SiO 2 sẽ gây ra một căn bệnh phổi nghiêm trọng gọi là bệnh bụi phổi silic , phổ biến ở thợ mỏ, thợ cắt đá và công nhân gốm, trừ khi sử dụng các thiết bị bảo vệ.

Sử dụng

Cấu trúc nguyên tử của Silic làm cho nó trở thành một chất bán dẫn cực kỳ quan trọng và Silic là chất bán dẫn quan trọng nhất trong lĩnh vực điện tử và công nghệ . Việc bổ sung một nguyên tố như Bo, một nguyên tử có thể thay thế cho một nguyên tử Silic trong cấu trúc tinh thể nhưng cung cấp ít hơn một electron hóa trị (Bo là nguyên tử chấp nhận) so với Silic, cho phép các nguyên tử Silic mất electron cho nó. Các lỗ trống dương được tạo ra bởi sự dịch chuyển electron cho phép bán dẫn ngoại sinh thuộc loại được gọi là dương (p). Việc bổ sung một nguyên tố như Asen , một nguyên tử cũng có thể thay thế cho một nguyên tử Silic trong tinh thể nhưng cung cấp thêm một electron hóa trị (Asen là nguyên tử cho), giải phóng electron của nó bên trong mạng tinh thể. Các electron này cho phép bán dẫn thuộc loại âm (n). Silic tinh khiết cao, được pha tạp (truyền) các nguyên tố như bo, phốt pho và asen, thường được gọi là wafer silic và là vật liệu cơ bản được sử dụng trong chip máy tính, mạch tích hợp, bóng bán dẫn , điốt silic, màn hình tinh thể lỏng và nhiều thiết bị điện tử và chuyển mạch khác.

Nếu các tấm silicon p và silicon n được ghép lại với nhau theo cách gọi làtiếp giáp p – n và được đặt dưới ánh sáng mặt trời, năng lượng hấp thụ khiến các electron di chuyển qua tiếp giáp và một dòng điện chạy trong mạch ngoài kết nối hai tấm wafer. MộtPin mặt trời là nguồn năng lượng cho các thiết bị vũ trụ và được tìm thấy trong các tấm pin năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tái tạo.

Silic có độ tinh khiết thấp hơn được sử dụng trong luyện kim như một chất khử và là một nguyên tố hợp kim trong thép, nhôm, đồng thau và đồng. Các hợp chất quan trọng nhất của silic là điôxít (silica) và các loại silicat khác nhau. Silica ở dạng cát và đất sét được sử dụng để làm bê tông và gạch cũng như vật liệu chịu lửa cho các ứng dụng nhiệt độ cao. Là khoáng thạch anh, hợp chất này có thể được làm mềm bằng cách nung nóng và tạo hình thành đồ thủy tinh. Silica (silicon dioxide) hữu ích như một chất mài mòn, trong sản xuất thủy tinh và các vật liệu gốm khác, và như một chất hấp phụ. Silicat, phần lớn không tan trong nước, được sử dụng để sản xuất thủy tinh cũng như trong chế tạo men, đồ gốm, đồ sứ và các vật liệu gốm khác.

Natri silicat, thường được gọi là thủy tinh nước, hoặc silicat soda, được sử dụng trong xà phòng, trong quá trình xử lý gỗ để ngăn ngừa mục nát, để bảo quản trứng, làm xi măng và trong nhuộm. Cả silicat tự nhiên và tổng hợp đều quan trọng trong vật liệu xây dựng, chất hấp thụ và chất trao đổi ion. Silicone là oxit organosilicon tổng hợp bao gồm các nguyên tố silicon, oxy , carbon và hydro; chúng được sử dụng làm chất bôi trơn, chất lỏng thủy lực, hợp chất chống thấm, vecni và men vì, như một lớp, chúng trơ về mặt hóa học và ổn định bất thường ở nhiệt độ cao.

Trung Quốc, Nga, Na Uy và Brazil là những nước sản xuất khoáng chất silic lớn nhất.

...