سیلیکون و خصوصیات آن

سیلیکون یک عنصر شیمیایی با نماد شیمیایی Si و شماره اتمی است. این یک جامد کریستالی سخت و شکننده با یک درخشش فلزی خاکستری آبی است و یک متالوئید و نیمه هادی تتراوالنت است. این عضو گروه 14 در جدول تناوبی است: کربن در بالا است آی تی؛ ژرمانیوم ، قلع ، سرب و پراسودیمیم در زیر آن قرار دارند. این نسبتاً غیرفعال است.با توجه به میل شیمیایی بالای آن به اکسیژن ، تا سال 1823 نبود که Jöns Jakob Berzelius ابتدا توانست آن را تهیه کند و آن را به شکل خالص توصیف کند. این اکسیدها خانواده ای از آنیون ها به نام سیلیکات را تشکیل می دهند. نقطه ذوب و نقطه جوش آن به ترتیب 1414 درجه سانتیگراد و 3265 درجه سانتیگراد است که در بین همه متالوئیدها و غیر متلها در رده دوم قرار دارد و فقط در دوم بور قرار دارد.سیلیکون هشتمین عنصر رایج در جهان توسط جرم است ، اما به ندرت به عنوان یک عنصر خالص در پوسته زمین رخ می دهد. این به طور گسترده ای در فضا در گرد و غبار کیهانی ، سیارک ها و سیارات در اشکال مختلف سیلیس (دی اکسید سیلیکون) یا سیلیکات توزیع می شود. بیش از 90 ٪ از پوسته زمین از مواد معدنی سیلیکات تشکیل شده است ، و پس از اکسیژن ، سیلیکون دوم عنصر فراوان در پوسته زمین (تقریباً 28 ٪ توسط جرم) است.

بیشتر سیلیکون ها به صورت تجاری و بدون جداسازی مورد استفاده قرار می گیرند ، غالباً با حداقل پردازش مواد معدنی طبیعی. موارد استفاده شامل ساخت صنعتی با استفاده از خاک رس ، ماسه سیلیس و سنگ است. از سیلیس ها در سیمان پورتلند برای خمپاره ها و گچ ها استفاده می شود و با ماسه سیلیس و ماسه مخلوط می شوند تا ایجاد شود بتن برای پیاده روها ، بنیادها و جاده ها. آنها همچنین در سرامیک های سفید مانند چینی و همچنین شیشه های سودا سنتی مبتنی بر سیلیکات و بسیاری از عینک های خاص دیگر استفاده می شود. سرامیک -سرامیک. Silicon اساس سیلیکون پلیمری مصنوعی است که به طور گسترده استفاده می شود.

اواخر قرن بیستم تا آغاز قرن بیست و یکم به دلیل تأثیر عظیم عنصر سیلیکون بر اقتصاد جهان مدرن ، به عنوان عصر سیلیکون (که به عنوان عصر دیجیتال یا عصر اطلاعات نیز شناخته می شود) شناخته می شود. سیلیکون ابتدایی با خلوص بالا (<10 ٪ [استناد مورد نیاز]) مورد استفاده در الکترونیک نیمه هادی برای ترانزیستورها و تراشه های مدار یکپارچه مورد استفاده در اکثر فناوری های مدرن مانند تلفن های هوشمند و سایر رایانه ها بسیار مهم است. در سال 2019 ، 32.4 ٪ از بازار نیمه هادی در تجهیزات شبکه و ارتباطی و پیش بینی می شود صنعت نیمه هادی تا سال 2027 به 726.73 میلیارد دلار برسد.سیلیکون یک عنصر اساسی در زیست شناسی است. بیشتر حیوانات فقط به اثری احتیاج دارند ، اما برخی از اسفنج ها و میکروب های دریایی مانند دیاتومها و رادیولارها ، ساختارهای اسکلتی را ترشح می کنند. سیلیس در بسیاری از بافتهای گیاهی رسوب می شود.

مشخصات

فیزیکی و اتمی:

یک اتم سیلیکون چهارده الکترون دارد. در حالت زمین ، آنها در پیکربندی الکترونیکی [NE] 3S23P2 قرار گرفته اند. این چهار ، چهار الکترون دارای واسطه ای هستند که مداری 3S و دو مداری 3p را اشغال می کنند. مانند سایر اعضای گروه آن ، کربن سبک تر و ژرمانیوم سنگین تر ، قلع و سرب ، همان تعداد الکترونهای ظرفیت را به عنوان مدارهای ظرفیت دارد: بنابراین ، می تواند اکتت خود را تکمیل کرده و با استفاده از پیکربندی آرگون گاز ، مدارهای هیبریدی SP3 را به دست آورد و چهار ضلعی را تشکیل می دهد.4 مشتقات که در آن اتم سیلیکون مرکزی با هر یک از چهار اتم که به آن پیوند خورده است ، یک جفت الکترون را به اشتراک می گذارد. چهار انرژی یونیزاسیون اول سیلیکون 786.3 ، 1576.5 ، 3228.3 و 4354.4 kJ/mol است. این اعداد به اندازه کافی بالا هستند تا احتمال شیمیایی کاتیونی ساده عنصر را رد کنند. با توالی روند دوره ای ، شعاع کووالانسی تک باند آن 117.6 بعد از ظهر است ، که بین کربن (77.2 بعد از ظهر) و ژرمانیوم (122.3 بعد از ظهر) است.

برق

در دمای و فشار استاندارد ، سیلیکون یک نیمه هادی براق با درخشش فلزی آبی خاکستری است. به عنوان یک نیمه هادی معمولی ، مقاومت آن با افزایش دما کاهش می یابد. این اتفاق می افتد زیرا سیلیکون دارای فاصله انرژی کمی (باند) بین بالاترین سطح انرژی اشغالی خود (باند ظرفیت) و کمترین سطح انرژی بدون استفاده (باند هدایت) است. سطح فرمی تقریباً در نیمه راه است بین باندهای واجد شرایط و هدایت و انرژی است که در آن یک حالت توسط الکترونها اشغال می شود. بنابراین ، سیلیکون خالص به طور موثری عایق در دمای اتاق است. هرچند ، سیلیکون دوپینگ با عناصر عکاسی مانند فسفر ، آرسنیک یا آنتیمونی معرفی می کند یک الکترون اضافی در هر دوپانت ، که ممکن است از نظر حرارتی یا فتولیت در باند هدایت هیجان زده شود و نیمه هادی نوع N را تشکیل دهد. به همین ترتیب ، دوپینگ سیلیکون با گروه 13 عناصر مانند بور ، آلومینیوم یا گالیم منجر به معرفی سطح پذیرنده می شود که الکترونهای تله ای را که ممکن است از باند Valence پر شده هیجان زده شوند ، ایجاد می کنند و یک سیلیکون از نوع P را به P تبدیل می کنند. سیلیکون نوع یک اتصال P-N با سطح فرمی مشترک ایجاد می کند. الکترونها از N به P جریان می یابند ، در حالی که سوراخ ها از P به N جریان می یابند و یک افت ولتاژ ایجاد می کنند. بنابراین این محل اتصال P-N مانند یک دیود عمل می کند و جریان متناوب را اصلاح می کند ، و باعث می شود جریان به یک روش به جای دیگری جریان یابد. ترانزیستور یک اتصال N-P-N با یک لایه نازک از سیلیکون P ضعیف بین دو نوع N است. مناطق. با ولتاژ کوچک رو به جلو و جمع کننده توسط یک ولتاژ معکوس بزرگ ، به ترانزیستور اجازه می دهد تا به عنوان یک تقویت کننده تریود عمل کند.

ساختار کریستالی

در شرایط استاندارد ، سیلیکون در ساختارهای کووالانسی غول پیکر ، به ویژه در شبکه مکعب الماس (گروه فضایی 227) متبلور می شود. بنابراین ، نقطه ذوب بالا 1414 درجه سانتیگراد دارد زیرا انرژی زیادی برای شکستن اوراق قرضه کووالانسی قوی و ذوب شدن سیلیکون جامد مورد نیاز است. پر شده است ، شبیه به یخ آب در هنگام شکسته شدن پیوندهای هیدروژن در هنگام ذوب شدن. این هیچ آلوتروپ ترمودینامیکی پایدار در فشار استاندارد ندارد ، اما چندین ساختار کریستالی دیگر در فشارهای بالاتر شناخته می شوند. روند کلی این است که تعداد هماهنگی با فشار افزایش می یابد ، سرانجام تشکیل یک آلوتروپ نزدیک شش ضلعی از حدود 40 GPa ، به نام SI-VII (نوع استاندارد SI-I است). آلوتروپ معروف به BC8 (یا BC8) دارای یک شبکه مکعب بدن محور با هشت اتم در هر واحد اصلی سلول است. (گروه فضایی 206) ، می توان با فشار زیاد تولید کرد و با فشار کم قابل استفاده است. خواص آن به طور مفصل مورد مطالعه قرار گرفته است.

سیلیکون در دمای 3265 درجه سانتیگراد جوش می خورد: اگرچه زیاد است ، اما هنوز هم پایین تر از دمایی است که در آن میزان کربن مادرزادی سبک تر آن (3642 درجه سانتیگراد) و گرمای تبخیر سیلیکون نیز پایین تر از کربن است ، که مربوط به کربن است ، که مربوط به کربن است. نسبت اوراق قرضه Si- Si به C. پیوند C ضعیف است.لایه های مانند گرافن مانند سیلیکن نیز می تواند ساخته شود.

ایزوتوپ ها

سیلیکون که به طور طبیعی رخ می دهد از سه ایزوتوپ پایدار ، 28Si (23 /92 ٪) ، 29SI (4.67 ٪) و 30SI (3.10 ٪) تشکیل شده است. از این تعداد ، فقط 29Si می تواند برای طیف سنجی NMR و EPR استفاده شود ، زیرا این تنها ماده با یک هسته ای است چرخش (I = 1/2). همه سه توسط فرآیند احتراق اکسیژن در نوع IA Supernovae [49] [50] تولید می شوند ، جایی که 28SI به عنوان بخشی از فرآیند آلفا تولید می شود و بنابراین فراوان ترین است. ذرات موجود در ستارگان از طریق بازآرایی Photodecay ، فرآیندی که به عنوان سوزاندن سیلیکون شناخته می شود. این مرحله آخر نوکلئوزنتز قبل از سقوط ستاره به سرعت فروپاشی و منفجر می شود و در یک ابرنواختر نوع II به شدت منفجر می شود.

بیست رادیوایزوتوپ مشخص شده است که دو پایدار 32si با نیمه عمر در حدود 150 سال و 31SI با نیمه عمر 2.62 ساعت است. همه رادیوایزوتوپ های باقی مانده دارای نیمه عمر کمتر از هفت ثانیه هستند و بیشتر آنها نیمی دارند زندگی کمتر از یک دهم دوم. Silicon دارای یک ایزومر هسته ای شناخته شده ، 34msi ، با نیمه عمر کمتر از 210 Ns.32Si با پوسیدگی بتا با انرژی کم به 32p است و سپس به 32s تثبیت می شود. 31SI را می توان با فعال سازی نوترون سیلیکون طبیعی تولید کرد و بنابراین می توان برای تجزیه و تحلیل کمی استفاده کرد. آن را می توان به راحتی با پوسیدگی بتا مشخصه 31p آن ، که در آن الکترون های ساطع شده دارای انرژی حداکثر 1.48 م وست هستند ، تشخیص داد.

ایزوتوپهای شناخته شده سیلیکون دارای توده های مختلف از 22 تا 44 هستند. رایج ترین حالت پوسیدگی برای ایزوتوپ ها با توده های پایین تر از سه ایزوتوپ پایدار ، پوسیدگی بتا معکوس است ، با تشکیل غالب ایزوتوپ آلومینیوم (13 پروتون) به عنوان محصول پوسیدگی. متداول ترین حالت پوسیدگی برای ایزوتوپهای ناپایدار سنگین تر ، پوسیدگی بتا است ، با تشکیل غالب ایزوتوپ فسفر (15 پروتون) به عنوان محصول پوسیدگی.سیلیکون می تواند از طریق آبهای زیرزمینی و حمل و نقل رودخانه وارد اقیانوس شود. ورودی فله آب زیرزمینی دارای ترکیب ایزوتوپی متفاوت از ورودی سیلیکون رودخانه ای است. تغییرات ایزوتوپ در آبهای زیرزمینی و حمل و نقل رودخانه منجر به تغییر در مقادیر 30SI در اقیانوس ها می شود. در حال حاضر ، تفاوت های زیادی وجود دارد در مقادیر ایزوتوپ آب عمیق در حوضه های مختلف اقیانوس در جهان. بین اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام ، یک گرادیان 30SI با آب عمیق بیشتر از 0.3 ‰ .30si وجود دارد که بیشتر با بهره وری همراه است.