硅在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用研究

＊汪楊峻杰

（成都七中實(shí)驗(yàn)學(xué)校 四川 611130）

硅在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用研究

＊汪楊峻杰

（成都七中實(shí)驗(yàn)學(xué)校 四川 611130）

硅的原子結(jié)構(gòu)呈四面體結(jié)構(gòu)，原子相互之間以共價(jià)鍵結(jié)合，最外層的4個(gè)價(jià)電子讓其處于亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在摻入其他價(jià)態(tài)的原子時(shí)，容易形成空位和多余的電子，使得硅在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域有極廣泛的應(yīng)用。硅是一種性質(zhì)很不活潑的元素，在大自然中以化合態(tài)的形式存在，主要以硅酸鹽類和石英為主，經(jīng)過特殊工藝改造，由硅元素參與構(gòu)成的物質(zhì)在不同的生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著不同的作用。文章將針對代表性的領(lǐng)域進(jìn)行分析說明，并對未來的發(fā)展趨勢做出展望。

硅；硅酸鹽；石英；應(yīng)用

引言

硅是自然界極為常見的一種元素，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中，長石、云母、黏土等都是硅酸鹽類物質(zhì)，水晶、瑪瑙、石英、砂子等都是二氧化硅類石頭。硅是一種非常不活潑的元素，然而它極少以單質(zhì)的形式在自然界出現(xiàn)，而是以復(fù)雜的硅酸鹽類或二氧化硅存在。硅與我們的生活息息相關(guān)，如電子通訊的石英光釬、集成電路芯片所用的襯底硅片、建筑領(lǐng)域的水泥、吃飯所用食器、生物醫(yī)學(xué)所用玻璃器皿等等，都與硅酸鹽物質(zhì)或者二氧化硅有關(guān)。對硅的性質(zhì)進(jìn)行分析總結(jié)，介紹不同的領(lǐng)域不同功能硅的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展方向作出展望。

1.硅的性質(zhì)

(1)物理性質(zhì)

硅的化學(xué)符號(hào)是Si，是地殼中含量第二多的元素，約占總質(zhì)量的26．4%，僅次于氧元素的49．4%，它是一種非金屬元素，位于周期表第三周期ⅣA族，原子序數(shù)為14，相對原子質(zhì)量約為28。硅的單質(zhì)有無定形硅和晶體硅兩種，其中晶體硅為灰黑色，無定形硅為黑色，密度2．32-2．34g/cm3，熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)2355℃，不溶于水，外表堅(jiān)硬而有金屬光澤。

(2)化學(xué)性質(zhì)

在常溫下硅不活潑，很少與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，卻大都以化合物的形式存在，多是硅酸鹽類、二氧化硅等，這主要由于地球在板殼運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，硅元素表現(xiàn)出較活潑的性質(zhì)，生成大量的硅化合物，因此地殼中的硅也是以化合物的形式存在，很少以單質(zhì)的形式出現(xiàn)。

硅原子最外層電子為4個(gè)，全充滿狀態(tài)為8個(gè)，由洪特規(guī)則知，當(dāng)電子層處于半充滿狀態(tài)時(shí)，原子處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，這些電子與其他原子的電子容易形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。由于共價(jià)鍵斷裂時(shí)需要的能量較高，表現(xiàn)出較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，因此硅單質(zhì)具有較高的熔點(diǎn)。硅在常溫下只能與周期表第七主族的氟氣（F2）發(fā)生反應(yīng)，在加熱或者高溫的情況下與氯氣、碘等發(fā)生反應(yīng)。硅會(huì)在含氧酸中被鈍化，只與氫氟酸及其混合酸反應(yīng)，生成SiF4和氫氣。

2.硅的應(yīng)用

(1)半導(dǎo)體材料

所謂半導(dǎo)體，是指導(dǎo)電性可人為控制，且導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，硅是最常見的半導(dǎo)體材料，常用于太陽能發(fā)電、集成電路等。

①太陽能材料

硅是人類將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的常用材料，利用高純度（含量99%以上）單質(zhì)硅的半導(dǎo)體性能，可以制成光電池，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，如圖1所示。P型半導(dǎo)體是在純硅晶體中摻入一定的3價(jià)元素（硼、鋁、鎵）的半導(dǎo)體，因?yàn)樵诩儍舻墓杈w中摻入三價(jià)元素取代晶格中硅原子的位置，由于外層只提供三個(gè)電子，所以與硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，就形成了一個(gè)空穴。N型半導(dǎo)體是在純硅晶體中摻入一定的5價(jià)元素（磷、砷、銻）的半導(dǎo)體，同上，在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素，外層提供了5個(gè)電子，與硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，多出的一個(gè)電子受原子核束縛很小，很容易成為自由電子。因此P區(qū)有大量的空穴，N區(qū)有大量的自由電子，外部導(dǎo)通后外部電流是P區(qū)到N區(qū)。

②集成電路

集成電路是采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的二極管、電阻、電容等元件連接在一起的，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶體上，成為具有電路功能的微型結(jié)構(gòu)。其中半導(dǎo)體晶片就是硅，集成電路所用的襯底材料多為硅的單晶體。

圖1 半導(dǎo)體材料太陽能發(fā)電原理

(2)通訊光釬

光釬是指光導(dǎo)纖維，一般由玻璃或者塑料拉制而成。由于二氧化硅折射率大，易發(fā)生全反射，傳輸?shù)臅r(shí)候信號(hào)損失小，因此石英光釬在通訊領(lǐng)域被廣泛的使用。光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同時(shí)傳輸256路電話；外界電磁輻射的影響小，可以在馬達(dá)附近、核實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場等惡劣環(huán)境工作，而且強(qiáng)度高，耐大氣侵蝕好；不怕竊聽，具有高度的保密性。

(3)建筑水泥

水泥是一種常用的建筑材料，它一般是以黏土和石灰石為原料，經(jīng)研磨、混合后在水泥回轉(zhuǎn)窖中煅燒，再加入適量的石膏（主要成分是硫酸鈣），研磨成的細(xì)粉。水泥有很多種分類，硅酸鹽水泥是以硅酸鈣為主，具有強(qiáng)度高、抗凍性好、耐磨性較好、耐腐蝕性差但不耐高溫的特性。硅酸鈣由碳酸鈣和二氧化硅在高溫下煅燒熔融而成，其化學(xué)方程式如（1）。

(4)陶瓷

陶瓷是用黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O）、石英和長石（K2O·Al2O3·6SiO2）等為主要原料，按照一定的生產(chǎn)加工工藝制作而成，從化學(xué)式可以看出這幾種原料都含有硅元素。陶瓷材料一般硬度較高，但可塑性差。除了在食器、裝飾上的使用，具有特殊功能的陶瓷在科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展中亦扮演重要角色。如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用在洲際導(dǎo)彈的端頭、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾管和燃燒室等；絕緣陶瓷用于電氣電路或者電子電路中，將導(dǎo)體物理隔離，防止電流在導(dǎo)體之間流動(dòng)而破壞電路的正常運(yùn)行。除了上述功能的陶瓷，還有磁性陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、生物陶瓷等，在不同的領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

(5)玻璃

玻璃又稱為硅酸鹽類非金屬材料，普通玻璃是以純堿（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）和石英（SiO2）為原料，經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窖中發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化熔融制得，它是一種無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。廣泛應(yīng)用于建筑物，用來隔風(fēng)、透光。通過改變成分或生產(chǎn)工藝，可以制得具有不同用途的玻璃，當(dāng)二氧化硅的含量高達(dá)99．99%時(shí)，可以制作成高純度二氧化硅玻璃，這種玻璃耐高溫，耐腐蝕、絕緣性能佳，機(jī)械性能等都優(yōu)于普通玻璃。此外，通過物理或者化學(xué)方式對玻璃進(jìn)行預(yù)壓力處理制作而成的鋼化玻璃，耐沖擊，抗彎壓能力增強(qiáng)。

(6)其他

有機(jī)硅是將硅優(yōu)良的無機(jī)性能與有機(jī)材料性能相結(jié)合，組成一種新的化合物，兼?zhèn)淞藷o機(jī)材料與有機(jī)材料的性能，在醫(yī)藥、精細(xì)電子領(lǐng)域有一番作為。硅類的合金是指硅與其他金屬制成的合金，以此來提升其金屬性能，常見的合金主要包括：硅鋁合金、硅銅合金、硅鐵合金、硅錳合金等，可以提升原金屬的表現(xiàn)性能；如硅銅合金用于細(xì)化晶粒，提高導(dǎo)電性。硅在提高植物抵御逆境、調(diào)節(jié)植物與其他生物之間相互關(guān)系也有作用，如硅可以提高植物莖稈的硬度，提升植物對干旱、紫外輻射以及病蟲害等的抗性。

3.小結(jié)

綜上所述，硅特殊的原子結(jié)構(gòu)決定了硅可控的導(dǎo)電性，由于硅是地殼上最豐富的半導(dǎo)體元素，隨著制備工藝技術(shù)的日益成熟，在半導(dǎo)體元件方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。未來硅在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究還會(huì)繼續(xù)深入，智能時(shí)代的到來意味著集成電路芯片的需求越來越大，提高集成電路成品率，增大單晶硅的直徑是發(fā)展趨勢。

除了單晶硅作為半導(dǎo)體材料，硅酸鹽類和二氧化硅作為光釬、建筑材料、陶瓷、玻璃等的生產(chǎn)原料，也有一定的市場前景，主要表現(xiàn)在各領(lǐng)域內(nèi)的研究，高純度石英光釬結(jié)構(gòu)的分析；功能陶瓷的開發(fā)；安全玻璃、節(jié)能玻璃、光電玻璃的研制；特種水泥的生產(chǎn)等等。

[1]李懷輝,王小平,王麗軍等.硅半導(dǎo)體太陽能電池進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2011,25(19):49-53.

[2]化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.化學(xué)1[M].北京：人民教育出版社,2009:74-79.

[3]白洪強(qiáng).我國硅材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及政策建議[J].現(xiàn)代化工,2012,32(1):4-8.

汪楊峻杰（1998～），男，成都七中實(shí)驗(yàn)學(xué)校，研究方向：化學(xué)教育。

((責(zé)任編：李田田)

Study of the Application of Silicon in Real Life

Wang Yang Junjie

（Chengdu No.7 Experimental School, Sichuan, 611130）

The atomic structure of silicon presents in tetrahedron structure, and the atoms combine with each other in covalent bond, besides, the four valence electrons of outermost layer are in the metastable structure, when it is mixed with other valence state of atoms, it is easy to form vacancy and excess electrons, which makes the silicon get an extensive application in the field of semiconductor materials. Silicon is a kind of element with not very active nature and it exists in the form of combining state in nature and the main types are silicate type and quartz. After the modification of special process, the substances made up with silicon elements play the different roles in different production fields. Take analysis and introduction of the typical field and make prospect for the future development trend.

silicon；silicate；quartz；application

T

A