Наночастицы аморфного диоксида кремния

Биологическое воздействие

Как и в литосфере, в организме человека кремний – один из топовых макроэлементов (до 4%).

О нехватке вещества сигнализирует следующие факторы:

Тусклость, ломкость волос, ногтей.
Сухость кожи.
Частые ОРВИ, ОРЗ.
Учащенное сердцебиение.
Ослабленность скелета (позвоночные боли, остеопороз).
Бесплодие.

Плюс пониженный иммунитет. У детей – замедление роста и общего развития.

Пополнить запас микроэлемента помогают продукты.

Больше всего вещества в продуктах, богатых клетчаткой:

Необработанные крупы: рис, овес, ячмень, гречка.
Все бобовые.
Орехи, овощи, ягоды, фрукты,

В «животном» сегменте это мясо, яйца, морепродукты, молоко.

Описание

Кремний представляет собой четырехкоординированный атом, который обычно тетраэдрически связаны с четырьмя соседними атомами кремния. В кристаллическом кремнии (c-Si) эта тетраэдрическая структура продолжается в большом диапазоне, образуя, таким образом, хорошо упорядоченную кристаллическую решетку.

В аморфном кремнии этого дальнего порядка нет. Скорее атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы в аморфном кремнии четырехкоординированы. Из-за неупорядоченной природы материала некоторые атомы имеют болтающаяся облигация. Физически эти оборванные связи представляют собой дефекты в непрерывной случайной сети и могут вызывать аномальное электрическое поведение.

Материал может быть пассивирован водородом, который связывается с оборванными связями и может снизить плотность оборванных связей на несколько порядков. Гидрированный аморфный кремний (a-Si: H) имеет достаточно низкое количество дефектов для использования в таких устройствах, как солнечные батареи. фотоэлектрический клетки, особенно в протокристаллический режим роста. Однако гидрирование связано со световой деградацией материала, называемой Эффект Стаблера – Вронски.

Схема аллотропных форм кремния: монокристаллический, поликристаллический, и аморфный кремний

Структура и электронная конфигурация

На изображении выше показана гранецентрированная кубическая структура (ГЦК), такая же, как у алмаза, для кристалла кремния. Серые сферы соответствуют атомам Si, которые, как видно, ковалентно связаны друг с другом; кроме того, они имеют тетраэдрическое окружение, воспроизводимое вдоль кристалла.

Кристалл кремния является ГЦК, потому что атом Si находится на каждой из граней куба (6 × 1/2). Точно так же есть восемь атомов Si в вершинах куба (8 × 1/8) и четыре, расположенных внутри него (те, которые показывают четко определенный тетраэдр вокруг них, 4 × 1).

При этом каждая элементарная ячейка содержит в общей сложности восемь атомов кремния (3 + 1 + 4, числа указаны в абзаце выше); характеристика, которая помогает объяснить его высокую твердость и жесткость, поскольку чистый кремний представляет собой ковалентный кристалл, подобный алмазу.

Области применения

Сферы использования панелей из аморфного кремния диктуется их главными достоинствами. Наиболее часто пленки A-Si рекомендуются к применению в следующих случаях:

значительной загазованности и/или запыленности воздуха;
преобладания неблагоприятных погодных условий, прежде всего частой облачности и осадков;
высоких среднегодовых температур окружающей среды;
сложности или инженерная нецелесообразность установки панелей в оптимальное положение относительно солнца;
при стремлении использовать полупроводниковые элементы в качестве полупрозрачных стекол или пленки – довольно частое дизайнерское решение в современном мире.

Как основной источник энергии батареи из аморфного кремния пока малоэффективны. Однако в качестве альтернативного ее поставщика – особенно в паре с аккумуляторами – их применение встречается все чаще.

Где найти и получить

Кремний является седьмым по распространенности элементом во Вселенной и вторым в земной коре, а также обогащает мантию Земли своим обширным семейством минералов. Этот элемент очень хорошо связывается с кислородом, образуя широкий спектр оксидов; среди них кремнезем, SO₂, силикаты (разнообразного химического состава).

Кремнезем можно увидеть невооруженным глазом в пустынях и на пляжах, поскольку песок в основном состоит из SiO.₂. В свою очередь, этот оксид может проявляться в нескольких полиморфах, наиболее распространенными из которых являются: кварц, аметист, агат, кристобалит, триполи, коэсит, стишовит и тридимит. Кроме того, его можно найти в аморфных твердых телах, таких как опалы и диатомовая земля.

Между тем силикаты еще богаче структурно и химически. Некоторые силикатные минералы включают: асбест (белый, коричневый и голубоватый), полевой шпат, глины, слюды, оливины, алюмосиликаты, цеолиты, амфиболы и пироксены.

Практически все породы состоят из кремния и кислорода с их стабильными связями Si-O, а также их кремнеземов и силикатов, смешанных с оксидами металлов и неорганическими частицами.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде – мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).

Описание

Схема аллотропных форм кремния: монокристаллический, поликристаллический, и аморфный кремний

Где используется

Применение кремния определяют свойства. Неметалл хрупок, поэтому непригоден в качестве «скелета» конструкций. Однако эта же характеристика позволяет идеально обрабатывать поверхность кристаллов, что ценят производители электроники.

Применение кремнияМикроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.

Промышленность

Кроме IT-индустрии неметалл востребован традиционными сегментами промышленности.

Металлургия. Технический кремний используется как раскислитель при выплавке чугуна, упрочнитель сплавов.
Машино-, приборостроение. Сплавы с металлами тверды, тугоплавки. Используются как компоненты турбин, термоэлементы оборудования металлургических комбинатов.
Электро-, радиотехника. Из неметалла-полупроводника изготавливают фотоэлементы, интегральные схемы, транзисторы, диоды, другую продукцию.
Органический, неорганический синтез.
Прозрачность вещества для инфракрасного спектра – главный плюс для производителей оптики.
Стекольная промышленность. Силикаты – исходник при производстве стекла, хрусталя, керамики, фарфоро-фаянсового ассортимента.
Песок – компонент строительных материалов (цемента, бетона).
Почти универсален карбид (кремний + углерод). Соединение закупают металлурги, приборостроители, химпром. Твердое (7 баллов по Моосу) вещество используется как полупроводник широкого диапазона действия и абразив.
Кремнийорганические соединения закупают производители силиконовой продукции: герметиков, смазок, других изделий.

То есть применение нашлось чистому веществу и соединениям.

Другие сферы

Фармацевты используют кремниевые продукты как базис препаратов для профилактики и лечения атеросклероза, туберкулеза, артрита.

Эстетичные разновидности неметалла – агаты, аметисты, горный хрусталь, опалы, сердолик – закупают ювелиры и собиратели минералогических коллекций.

Физико-химические характеристики

Кремний – это неметалл, но выступает как восстановитель либо окислитель:

Образует сплавы (силициды) с большинством металлов.
В обычном микроклимате покрывается пленкой-оксидом, становясь инертным.
Химическая активность почти нулевая, однако растет с ростом температуры.
Физические и химические свойства формируются строением кристаллической решетки (аллотропным форматом). Например, аморфный неметалл активно впитывает влагу, быстрее взаимодействует при обычной температуре.

Кристаллическая структура кремния

Свойства атома
Название, символ, номер	Кремний/Silicium (Si), 14
Атомная масса (молярная масса)	а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	3s2 3p2; в соед. 3s 3p3 (гибридизация)
Радиус атома	132 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	111 пм
Радиус иона	42 (+4e), 271 (−4e) пм
Электроотрицательность	1,90 (шкала Полинга)
Электродный потенциал
Степени окисления	−4, 0, +2; +4
Энергия ионизации (первый электрон)	786,0 (8,15) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	2,33 г/см³
Температура плавления	1414,85 °C (1688 K)
Температура кипения	2349,85 °C (2623 K)
Уд. теплота плавления	50,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения	383 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	20,16 Дж/(K·моль)
Молярный объём	12,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая, алмазная
Параметры решётки	5,4307 Å
Температура Дебая	645 ± 5 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 149 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-21-3

В ряде химических процессов кремний ведет себя как металл.

Аморфный кремний и углерод [ править ]

Аморфные сплавы кремния и углерода (аморфный карбид кремния , также гидрированный, a-Si _{1 − x} C _x : H) представляют собой интересный вариант. Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для управления свойствами материала. Пленку можно также сделать прозрачной для видимого света.

Увеличение концентрации углерода в сплаве увеличивает электронный зазор между зоной проводимости и валентной зоной (также называемый «оптическим зазором» и запрещенной зоной ). Это потенциально может повысить световую эффективность солнечных элементов, изготовленных из слоев аморфного карбида кремния. С другой стороны, на электронные свойства полупроводника (в основном подвижность электронов ) отрицательно влияет увеличение содержания углерода в сплаве из-за повышенного беспорядка в атомной сети.

В научной литературе можно найти несколько исследований, в основном изучающих влияние параметров осаждения на качество электроники, но практическое применение аморфного карбида кремния в промышленных устройствах все еще отсутствует.

Химические свойства углерода

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO₂:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS₂:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO₂:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля. Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 оС:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Карбиды активных металлов гидролизуются водой:

а также растворами кислот-неокислителей:

При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.

ПРИМЕНЕНИЕ

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них. Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги. Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Технический кремний находит следующие применения:

сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин);
раскислитель (при выплавке чугуна и сталей);
модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
сырьё для производства кремний органических материалов, силанов;
иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
для производства солнечных батарей;
антиблок (антиадгезивная добавка) в промышленности пластмасс.

Кремний (англ. Silicon) – Si

Молекулярный вес	28.09 г/моль
Происхождение названия	в переводе c др.-греч. κρημνός — «утёс, гора».
IMA статус	действителен

Распространение в природе, пути получения, использование

Диоксид кремния (химическая формула: SiO2, кремнезем) – это бесцветное кристаллическое, стеклообразное или аморфное вещество. Этот минерал в виде кварцевого песка широко применяют в строительстве, в производстве химической продукции и радиотехники, в авиационном строительстве и многих других отраслях.

Распространение кремнезема в природе

Диоксид кремния содержится в земной коре в виде смесей с некоторыми другими минералами (их называют граниты) и в виде силикатов, входит в состав горных пород. Наиболее распространенный в природе минерал – кварц, намного реже встречаются кристобалит, халцедоны, тридимит, опалы, лешательерит (кварцевое стекло). Мелкие кристаллы кварца образуют так называемый «жильный» кварц. При постепенном разрушении горных пород образуются кварцевые пески, которые, уплотняясь, приводят к появлению кварцитов и песчаников.

Горный хрусталь – это наиболее чистый кварц, бесцветный. Его кристаллы могут весить десятки тонн и достигать длины в несколько метров. Также кварц может быть окрашен различными примесями в фиолетовый цвет (аметист), желтый (цитрин), черный (морион), дымчатый (раухтопаз). В природе встречаются и скрытокристаллические формы кварца: это красно-розовый сердолик, зелено-яблочный хризопраз, синеватый сапфир, тонко-окрашенная яшма, ониксы и агаты песчаные, роговики и кремни.

Уникален «благородный» опал, который состоит из коллоидных однородных частиц диаметром примерно 0,2 мкм. Эти частицы плотно упакованы в упорядоченные агломераты, воды в них содержится менее одного процента (в большинстве опалов – около семи процентов). Природные месторождения диоксида кремния могут также образовывать диатомит, трепел. Из этого минерала построены панцири диатомовых водорослей, скелеты некоторых губок. Он входит в состав стеблей растений – таких, как тростник, хвощ, бамбук.

Как получают диоксид кремния?

Синтетический SiO2 можно получить:

– путем воздействия соляной (HCl) или серной (H2SO4) кислот на силикат натрия, реже – на другие растворимые силикаты (этот способ является основным в развитых странах);
– используя кремния диоксид коллоидный (путем его замораживания или коагуляции под действием ионов F-, Na+);
— путем гидролиза фтористого кремния SiF4, четыреххлористого кремния SiCl4, тетраэтоксисилана (C2H5O)4Si, твердого десублимата (NH4)2SiF6 в газовой форме, а также в водно-аммиачных и водных растворах (иногда с добавлением органических оснований или этанола).

Диоксид кремния аморфный получают:

– из диатомита и трепела;
– прокаливанием рисовой шелухи;
– размалыванием плавленого кварцевого песка.

Безводные порошки кремнезема получают:

– используя химическое осаждение из газовой фазы;
– путем гидролиза и окисления паров сложных эфиров пирогенного кремнезема и фтористого кремния;
— путем сжигания паров четыреххлористого кремния SiCl4 в смеси О2 и Н2.

Как используют диоксид кремния?

– кремнезем природный используют в производстве изделий из фарфора, бетона, абразивов, кирпича силикатного, керамики, фаянса, динаса, силикатных стекол;
– кремнезем синтетический («сажу белую») используют в качестве наполнителя в производстве резин;
– монокристаллы кварца нашли применение в радиотехнике (фильтры, стабилизаторы частоты пьезоэлектрические, резонаторы), в акустоэлектронике и акустооптике, в ювелирном деле, в оптическом приборостроении;
– горный хрусталь и синтетический диоксид кремния используются как сырье для производства кварцевого стекла, монокристаллов кварца, кварцевых волокон и керамики. В свою очередь, керамику и кварцевое стекло применяют в авиационной промышленности, оптике, электронике и других отраслях. Кварцевую ткань используют как материал, удерживающий тепло, а кварцевые волокна – для создания волоконно-оптических систем передачи информации и линий связи.

Аморфный кремний и углерод

Аморфный сплавы кремния и углерода (аморфный кремний карбид, также гидрированный, a-Si_1-хC_Икс: H) — интересный вариант. Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для управления свойствами материала. Фильм тоже можно было снять прозрачный до видимого света.

Увеличение концентрации углерода в сплаве увеличивает электронный зазор между зоной проводимости и валентной зоной (также называемый «оптическим зазором» и запрещенная зона ). Это потенциально может повысить световую эффективность солнечных элементов, изготовленных из слоев аморфного карбида кремния. С другой стороны, электронные свойства как полупроводник (в основном подвижность электронов ), отрицательно сказываются на увеличении содержания углерода в сплаве из-за увеличения беспорядка в атомной сетке.

Ковалентный характер

Этот ковалентный характер обусловлен тем, что, как и углерод, кремний имеет четыре валентных электрона в соответствии с его электронной конфигурацией:

3 с2 3p2

Для связывания чистые 3s и 2p орбитали бесполезны. Вот почему атом создает четыре гибридных sp-орбитали3, с помощью которых он может образовывать четыре ковалентные связи Si-Si и, таким образом, заполнять октет валентности для двух атомов кремния.

Затем кристалл кремния визуализируется как трехмерная ковалентная решетка, состоящая из связанных тетраэдров.

Однако эта сетка не идеальна, поскольку в ней есть дефекты и границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого и определяют их; а когда таких кристаллов очень мало и их много, мы говорим о поликристаллическом твердом теле, идентифицируемом по его неоднородному блеску (подобному серебряной мозаике или чешуйчатой поверхности).

Технология получения

Цель переработки сырья – максимально чистое вещество.

В лабораториях процедура следующая:

Добывают силицид магния.
Воздействуют на вещество уксусной либо соляной кислотой.
Образовавшийся моносилан очищают (сорбентами, ректификаторами), нагревают до 1050°C.

В результате получают водород и кремний.

Для промышленников сырьем служит белый песок мелких фракций (диоксид вещества с формулой SiO2).

Кристалл кремния

Способ получения неметалла предусматривает следующие этапы:

Прокаливание смеси сырья с магнием до образования аморфной модификации. Продукт выглядит как буроватый порошок.
Технически чистый материал (99,9%) получают в печи при 1780°C. Из расплава диоксида вещество восстанавливают коксом.
При необходимости изымают углерод, другие примеси.

Очищают кремний прямым хлорированием. Из полученных соединений изымают примеси, восстанавливают водородом при 910-1150°C.

Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского

Новые технологии очистки предусматривают замену хлора фтором: это экологичнее и рентабельнее. Есть способы получения вещества на основе дистилляции оксида неметалла, вытравкой примесей.

Кремний, как простое вещество

Кремний представляет из себя темно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллический кремний является полупроводником.

Кремний образует только одну аллотропную модификацию, подобную алмазу, но при этом не такую прочную, т. к. связи Si-Si не так прочны, как в алмазной молекуле углерода (См. ).

Аморфный кремний — порошок бурого цвета, с температурой плавления 1420°C.

Кристаллический кремний получают из аморфного путем его перекристаллизации. В отличие от аморфного кремния, который является достаточно активным химическим веществом, кристаллический кремний более инертен в плане взаимодействия с другими веществами.

Строение кристаллической решетки кремния повторяет структуру алмаза, — каждый атом окружен четырьмя другими атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Атомы связываются друг с другом ковалентными связями, которые не так прочны, как углеродные связи в алмазе. По этой причине, даже при н.у. некоторые ковалентные связи в кристаллическом кремнии разрушаются, в результате чего высвобождается некоторая часть электронов, благодаря чему кремний обладает небольшой электропроводностью. По мере нагревания кремния, на свету или при добавлении некоторых примесей, кол-во разрушаемых ковалентных связей увеличивается, вследствие чего и увеличивается кол-во свободных электронов, следовательно, растет и электропроводность кремния.

Применение

Области применения кремния трудно перечислить:

стекла;
цемент;
зажигалки;
оптоволокно;
керамика;
микропроцессоры.

В любой зубной пасте есть Е551 — аморфный диоксид кремния.

На основе кремниевых полупроводников устроены почти все электронные приборы.

Большинство наших домов на 20-40%% состоят из кремниевых минералов.

Нитриты и карбиды кремния — одни из самых твердых соединений. Они входят в состав особой жаропрочной и твердой керамики. Ее используют в производстве бронежилетов, абразивы (абразивные диски для всем известных болгарок). Рекомендуем: ТАНТАЛ — твёрдый, редкий и дорогой

Как сырье технической чистоты Silicium применяют:

В металлургии (как присадки, как раскислители в производстве чугуна и сталей).
В производстве силанов и кремнийорганических материалов.
В производстве солнечных батарей.

Синтетические SiC под названием муассанита с успехом заменяют алмазы в ювелирной промышленности.

Продукцией из песка, соды и извести стеклом — пользуются миллионы людей.

Красота и здоровье: полуметалл необходим человеческому организму для костей, волос, здоровой кожи. А силикон — материал, с помощью которого женщины исправляют свои формы.

Процессы осаждения [ править ]

	ССЗ	PECVD	Каталитический CVD	Распыление
Тип фильма	a-Si: H	a-Si: H	a-Si: H	как и я
Уникальное приложение		Электроника большой площади		Безводородное осаждение
Температура камеры	600C	30–300 ° C		30–1000 ° C
Температура активного элемента			2000C
Давление в камере	0,1–10 торр	0,1–10 торр		0,001–0,1 торр
Физический принцип	Термолиз	Плазма-индуцированная диссоциация	Термолиз	Ионизация источника Si
Фасилитаторы			W / Ta нагревательные провода	Катионы аргона
Типичное напряжение привода		RF 13,56 МГц; 0,01-1 Вт / см 2
Источник Si	SiH 4 газ	SiH ₄ газ	SiH ₄ газ	Цель
Температура основания	управляемый	управляемый	управляемый	управляемый

Плюсы и минусы

Кремний наделен свойствами, полезными либо нет с утилитарной точки зрения.

Недостатки вещества:

Энергозатратность при получении чистого материала.
Хрупкость. Но при нагреве выше 810°С кремний обретает пластичность.

Достоинства материала:

Доступность сырья: четверть земной коры – это кремний.
Простота технологии извлечения вещества.
Способность образовывать линейку соединений: диоксид, силаны, силициды, силикаты. Плюс твердые конгломераты – база для создания сотен видов стекла, керамики.
Возможности как полупроводника широкого охвата. На электрические характеристики неметалла влияют примеси. Промышленность «эксплуатирует» этот феномен для создания полупроводников заданного типа.

Главный плюс кремния – нулевая токсичность. Она облегчает использование неметалла всеми сегментами рынка, включая медицину и фармакологию.

Гидрированный аморфный кремний

Негидрированный a-Si имеет очень высокую плотность дефектов, что приводит к нежелательным свойствам полупроводника, таким как плохая фотопроводимость, и предотвращает легирование, которое имеет решающее значение для инженерных свойств полупроводников. Вводя водород во время производства аморфного кремния, фотопроводимость значительно улучшается и становится возможным допирование. Гидрированный аморфный кремний a-Si: H был впервые изготовлен в 1969 году Читтиком, Александром и Стерлингом путем осаждения с использованием предшественника газообразного силана (SiH4). Полученный материал показал более низкую плотность дефектов и повышенную проводимость из-за примесей. Интерес к a-Si: H возник, когда (в 1975 г.) LeComber и Копье обнаружил способность замещающего легирования a-Si: H с использованием фосфина (n-тип) или диборана (p-тип). Роль водорода в восстановлении дефектов была подтверждена группой Пола в Гарварде, которая обнаружила концентрацию водорода около 10 атомных% через ИК-колебание, которое для связей Si-H имеет частоту около 2000 см−1. Начиная с 1970-х годов RCA разработала a-Si: H в солнечных элементах, благодаря чему в 2015 году его эффективность неуклонно повышалась до примерно 13,6%.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 оС:

С бромом – 620-700 оС:

С йодом – 750-810 оС:

Все галогениды кремния легко гидролизуются водой:

а также растворами щелочей:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300оС) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 оС кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей:

При этом образуется газ силан SiH₄ – аналог метана CH₄.

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500оС. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода: