химический каталог




КРЕМНИЙ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

КРЕМНИЙ (Silicium) Si, химический элемент IV гр. периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,0855. Состоит из трех стабильных изотопов 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 1,3.10-29 м2. Конфигурация внешний электронной оболочки 3s23p2; степень окисления +4 (наиболее устойчива), +3, +2 и +1; энергии ионизации при последоват. переходе от Si° к Si4+ соответственно 8,1517, 16,342, 33,46 и 45,13 эВ; сродство к электрону 1,22 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,8; атомный радиус 0,133, ионный радиус Si4+ (в скобках указаны координац. числа) 0,040 нм (4), 0,054 нм (6), ковалентный - 0,1175 нм. КРЕМНИЙ-второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6% по массе). В свободный состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO2 (см. Кремния диоксид) или силикатов. В виде SiO2 КРЕМНИЙ входят в состав растит. и животных организмов (например, скелетные части).
Свойства. Компактный КРЕМНИЙ- вещество серебристо-серого цвета с металлич. блеском. Кристаллическая решетка устойчивой модификации кубич. гранецентрированная типа алмаза, а=0,54307 нм, пространств. группа Fd3m, z=4. При высоких давлениях существуют др. полиморфные модификации: при 20 ГПа-К. I с тетрагон. решеткой (а=0,4686 нм, с=0,2585 нм), выше 20 ГПа-К. II с кубич. (а=0,644 нм) и КРЕМНИЙ III с гексагон. (а=0,380 нм, с=0,628 нм). При кристаллизации из газовой фазы на поверхностях с температурой ниже 600 °С образуется аморфный КРЕМНИЙ Для кристаллич. Si температура плавления 1415 °С (плавится с уменьшением объема на 9%), температура кипения 3249 °С; плотность 2,33 г/см3; C0p 20,16 Дж/(моль.К); D H0пл 49,9 кДж/моль, D H0исп 445,2 кДж/моль; S298 18,9 Дж/(моль.К); давление пара 0,046 Па (1415 °С); температурный коэффициент линейного расширения 3,72.10-6К-1 (291-1273 К) и -.0,6.10-6 К-1 (84 К); теплопроводность 95,5 Вт/(м.К); р 2,4-107 Ом м (25 °С); температура Дебая 645 К; e 12; диамагнетик, магн. восприимчивость — 3,9.10-6. При обычных условиях КРЕМНИЙ хрупок, выше 800 °С становится пластичным. КРЕМНИЙ прозрачен для И К излучения при длинах волн l >1 мкм; коэффициент преломления 3,565 ( l =1,05 мкм), 3,443 ( l =2,6 мкм), 3,45 ( l = 2-10 мкм); отражат. способность 0,3 ( l >1,5 мкм). КРЕМНИЙ - полупроводник; ширина запрещенной зоны 1,21 эВ при температуре около 0 К и 1,09 эВ при 300 К; концентрация носителей тока в КРЕМНИЙ с собственной проводимостью 1,5-1016 м-3 (300 К); температурная зависимость подвижности электронов и дырок [м2/(В.с)] определяется соответственно выражениями: m n=4,0.105Т-2,6 (300 [ T [ 400 К) и m р = 2,5.104T-2,3 (150 [ T [ 400 К); при 300 К m n= 0,145 м2/(В.с), m p=0,048 м2/(В.с), коэффициент диффузии электронов 3,5.10-3 м2/с, дырок - 1,3.10-3 м2/с. Электрофизических свойства КРЕМНИЙ зависят от природы и концентрации присутствующих примесей и структурных дефектов. Для получения монокристаллов КРЕМНИЙ с дырочной проводимостью используют легирующие добавки В, Al, Ga, In (акцепторные примеси), с электронной проводимостью - Р, As, Sb (донорные примеси). Примеси Аu, Сu, Fe, Mn, V и некоторые др. существенно снижают время жизни носителей тока в монокристаллах КРЕМНИЙ Макс, растворимость примесей в КРЕМНИЙ наблюдается при 1200-1300 °С и может быть грубо оценена по значению коэффициент распределения между твердым КРЕМНИЙ и его расплавом. Акцепторные примеси в КРЕМНИЙ имеют большие значения коэффициент диффузии, чем донорные. Ряд примесей (Li, Сu, Аu) диффундирует по междоузлиям кристаллич. решетки с очень высокими скоростями. Для определения содержания примесей в КРЕМНИЙ высокой чистоты используют прецизионные методы: спектральный и активационный анализ, метод ЭПР и др. Производят монокристаллы КРЕМНИЙ без дислокаций диаметром до 0,156 м. Осн. дефекты в таких монокристаллах КРЕМНИЙ-скопления собств. междоузельных атомов, вакансий и атомов остаточных примесей. Для определения природы и содержания структурных дефектов в КРЕМНИЙ применяют избират. травление (в основные смесью кислот: HF, HNO3 и СН3СООН), рентгеновский и др. методы. Электрич. свойства КРЕМНИЙ могут сильно изменяться при термодинамически обработке. Так, нагревание монокристаллов, содержащих кислород, до 400-500 °С приводит к увеличению электронной проводимости, а при последующей нагревании до 1 1000-1200 °С этот эффект пропадает. Обычно термодинамически обработка приводит к существ. снижению времени жизни носителей тока. Для предотвращения вредного действия термодинамически обработки используют предварит. обработку поверхности монокристаллов КРЕМНИЙ спец. органическое реактивами, отжиг в хлорсодержащей атмосфере, грубую шлифовку, бомбардировку ионами и др. методы. При низких температурах КРЕМНИЙ химически инертен, при нагревании его реакционное способность резко возрастает. Особенно активен расплавленный КРЕМНИЙ Координац. число атома КРЕМНИЙ 4, иногда 6 (например, во фторосиликатах, содержащих анион [SiF6]2-). Соед., где КРЕМНИЙ формально двухвалентен, по-видимому, содержат связь Si—Si и, как правило, полимерны. Благодаря образующейся на поверхности защитной оксидной пленке КРЕМНИЙ устойчив на воздухе даже при повыш. температурах. Окисляется О2 выше 400°С до SiO2 (см. также Кремния оксид). Стоек к действию кислот, взаимодействие только со смесью HNO3 и фтористоводородной кислоты. Хорошо реагирует с растворами щелочей с выделением Н2 и образованием силикатов. Взаимод. с F2 уже при комнатной температуре, с остальными галогенами - при 300-500 °С с образованием галогенидов SiX4 или Sin,X2n+2 (см. Кремния иодиды, Кремния фториды, Кремния хлориды). С парами S при 600 °С дает дисульфид SiS2, который выше 600 °С переходит в моносульфид SiS; аналогичные, хотя и менее прочные соединения, образует с Те и Se. С Н2 КРЕМНИЙ непосредственно не реагирует, поэтому силаны SinH2n+2 получают косвенным путем - разложением силицидов. Аморфный КРЕМНИЙ обладает способностью растворять значительной кол-ва различные газов, прежде всего Н2. При этом образуется твердый раствор (до 47 ат. % водорода), называемый l -Si:H, который обладает полупроводниковыми свойствами. С азотом выше 1000 °С КРЕМНИЙ образует кремния нитрид Si3N4, с фосфором - фосфид SiP, с мышьяком - арсениды SiAs2 и SiAs, с углеродом -кремния карбид SiC, с бором - термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. С большинством металлов дает тугоплавкие высокотвердые силициды. Об органическое производных КРЕМНИЙ см. Кремнийорганические полимеры, Кремнийорганические соединения, Кремнийэлементоорганические соединения.
Получение. КРЕМНИЙ производят восстановлением расплава SiO2 углеродом в дуговых печах при 1800°С. Чистота технический продукта после спец. кислотной обработки около 99,9%. Очень небольшие кол-ва КРЕМНИЙ получают электролизом растворов Na2SiF6 или K2SiF6 в расплавах. Для получения КРЕМНИЙ высокой чистоты технический продукт хлорируют до SiQ4 или SiHCl3. Эти хлориды подвергают глубокой очистке ректификацией, сорбцией, путем частичного гидролиза и спец. термодинамически обработок, а затем восстанавливают при 1200-1300 °С высокочистым Н2 в установках из нержавеющей стали или непрозрачного кварцевого стекла. Восстанавливаемый КРЕМНИЙ осаждают на прутки из КРЕМНИЙ высокой чистоты. Др. пром. метод получения КРЕМНИЙ высокой чистоты основан на разложении около 1000 °С SiH4, предварительно очищенного ректификацией. SiH4 синтезируют взаимодействие Mg2Si с соляной или уксусной кислотой, диспропореакционированием SiH(OC2H5)3 в присутствии Na или реакцией LiAlH4 с SiQ4 в эфире. Перечисл. методами получают КРЕМНИЙ с суммарным содержанием остаточных примесей 10-7-10-8 % по массе. Монокристаллы КРЕМНИЙ выращивают по методу Чохральского или бестигельной зонной плавкой (см. Монокристаллов выращивание). В первом случае процесс проводят в кварцевых тиглях в вакууме или инертной атмосфере с применением нагревателей из особо чистого графита. Масса исходной загрузки 60-100 кг, диаметр получаемых монокристаллов до 0,15 м, длина до 1,5-2,0 м. Зонную плавку проводят в глубоком вакууме или атмосфере особо чистого Н2; этим способом получают наиболее чистые монокристаллы. Диаметр монокристаллов до 0,125 м, длина до 1,5 м. Легируют монокристаллы непосредственно в процессе выращивания. Для получения однородных монокристаллов, легированных фосфором, их часто облучают медленными нейтронами []. Профилир. монокристаллы выращивают с помощью спец. формообразователя по способу Степанова, "горизонтальным сдергиванием" со свободный поверхности расплава, кристаллизацией на спец. дендритных затравках. Поликристаллич. слитки получают направленной кристаллизацией в графитовой изложнице в условиях строго контролируемого тепло-отвода. Осн. пром. метод получения эпитаксиальных слоев и структур КРЕМНИЙ-химический осаждение из газовой фазы с использованием смеси особо чистых SiCl4 и Н2. Процесс проводят в проточных металлич. и кварцевых реакторах при 1250 °С и. атм. давлении с применением индукционного или радиационного нагрева. Эпитаксиальные слои наращивают на ориентированные и прошедшие спец. механические и химический обработку подложки из монокристаллич. КРЕМНИЙ, размещаемые на кварцевом или графитовом (с покрытием SiC) пьедестале. Для снижения температуры эпитаксиального наращивания в качестве источника КРЕМНИЙ используют SiH2Cl2, а сам процесс проводят при 6,6-9,3 кПа. Применяют также термодинамически разложение SiH4 (температура кристаллизации до 1000-1050 °C). Самую низкую температуру кристаллизации (700-800 °С) обеспечивает метод мол. эпитаксии - наращивание из мол. пучков, получаемых нагреванием кремниевых заготовок электронным лучом в условиях глубокого вакуума (10-9-10-10 Па). Жидкофазную эпитаксию из раствора КРЕМНИЙ в металлич. расплаве (наиболее часто Sn) проводят при 1100-1200°С. Пленки гидрогенизир. КРЕМНИЙ, или a-Si:H, получают плазмохимический разложением SiH4, реактивным катодным распылением КРЕМНИЙ в атмосфере Н2, а также химический осаждением из газовой фазы с использованием смеси хлоридов КРЕМНИЙ и Н2. Пленки наращивают на металлич. и стеклянные пластины при 200-400 °С.
Определение. Качественно КРЕМНИЙ обнаруживают по образованию (преимущественно в кислых средах) коллоидных растворов гидратированного SiO2, окрашенных солей кремнемолибденовой кислоты H4[Si(Mo3O10)4]. Макроколичества КРЕМНИЙ (не менее 0,1% по массе) определяют гравиметрически, титриметрически и фотометрически. Гравиметрич. методы основаны на способности КРЕМНИЙ образовывать гель H2SiO3, который затем высушивают и взвешивают. При титриметрич. определении КРЕМНИЙ переводят в H2SiF6, титруют щелочью или осаждают в виде малорастворимых солей H4[Si(Mo3O10)4] и определяют Мо в осадке. Большинство фотометрич. методов основано на переводе бесцв. H2SiO3 в желтую кремнемолибденовую кислоту, к-рую и определяют. Микроколичества КРЕМНИЙ определяют следующей методами: эмиссионным спектральным (до 1-10-5 %), нейтронно-активационным (до 1.10-6 %), масс - спектрометрич. (до 1.10%), атомно-абсорбционным с непламенной атомизацией (до 1.10-4 %). Применение. КРЕМНИЙ-один из основные полупроводниковых материалов в электронике. Приборы на его основе могут работать при температурах до 200 °С. Его используют для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, солнечных батарей, фотоприемников, детекторов частиц в ядерной физике и др., а также линз в приборах ИК техники. В металлургии КРЕМНИЙ применяют как восстановитель (для получения силико-марганца, силикоалюминия и др.), при производстве ферросилиция, для раскисления - удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода. КРЕМНИЙ-компонент электротехн. и др. сталей, чугунов, бронз, силуминов. КРЕМНИЙ и его соединение используют для получения кремнийорганическое производных и силицидов ряда металлов. a-Si:H применяют для изготовления солнечных батарей, полевых транзисторов и др. Мировое производство КРЕМНИЙ (без СССР) для нужд полупроводникового приборостроения составляет около 5000 т/год поликристаллич. КРЕМНИЙ и около 2200 т/год монокристаллов (1984). КРЕМНИЙ-биогенный элемент. Он необходим для нормального роста и развития человека, животных, растений и микроорганизмов: является структурным элементом соединит. ткани, связывая макромолекулы мукополисахаридов и коллагена, играет существ. роль в метаболизме многие растений и морских организмов, влияет на скорость минерализации и препятствует возникновению атеросклероза. Соед. КРЕМНИЙ токсичны. Вдыхание мельчайших частиц пыли SiO2 и др. соединение КРЕМНИЙ (например, асбеста) вызывает опасную профессиональную болезнь - силикоз. КРЕМНИЙ получен впервые Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром в 1811.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
сколько стоит бесперебойник для компьютера цена
жесткий выносной диск купить
ортопедическое кресло для домашнего кинотеатра
ninebot one c

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(19.11.2017)