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硅-未來科技的基石 

發布時間:2023/12/09

      硅是一種非金屬元素,元素符號為Si,位于元素周期表第三周期、第IVA族,原子序數14,相對原子質量28.0855,晶胞為立方金剛石型。單質硅為深灰色晶體,泛藍色光澤,是計算機時代的新寵兒,可以說,它為我們的各種電子產品注入了靈魂。

1.發現

      硅最早是以硅化合物的形式出現在人們的視野當中的。古時,人們為了增強竹制容器的耐火性便制出了陶瓷,這是人類用火制造出來的第一種自然界不存在的物質。

      由于硅對氧具有高度化學親和力,因此單質硅的制取經歷了許多的艱難。1789 年,法國化學家拉瓦錫在《化學基礎論》中將元素分為了四類,土質物質就位列其中。硅的化合物硅土就屬于土質,在當時硅土被定義為一種元素。1807年,英國化學家戴維成功制取了鉀、鈉,打破了土質不可再分的固有思想。1808年,蓋呂薩克和泰納爾成功制得單質硼同年戴維也用相同的方法制得。硼酸基的成功激發了科學家們探究石英中隱藏的某種成酸元素的決心。戴維制得單質硼后投身于提取硅土中新的物質,可是戴維卻被其獨特的性質誤導,以為這是一種金屬化合物最終導致戴維并未制得純硅。

      1811 年,法國化學家蓋·呂薩克制得了四氟化硅,用鉀還原后得到了一些無定形硅,但由于純度太低便沒有進行深入研究?;谝槐娍茖W家的成果,終于瑞典化學家貝采尼烏斯于1823 年首次分離出硅。貝采尼烏斯將金屬鉀 (K) 和氟硅酸鉀( K2SiF6) 共熱,最終得到了無定形硅單質。發現硅元素 30 多年后,法國人化學家德維爾在運用電解法制取鋁時以外制得了品體硅。經實驗驗證,晶體硅與無定形硅二者互為同素異形體。至此,硅被正式確認為一種新元素。

2.分布

      由于硅是易熔組分,在熔化過程中更傾向于進入熔體,在地殼或是地慢部分熔融的過程中,硅都容易在熔體中富集,毋庸置疑,硅最終成為了地殼含量名列前茅 (第二)的元素,占地殼總質量的26.4%,僅次于氧(49.6%)。硅在宇宙中的儲量排名第八,是自然界分布十分廣泛的非金屬元素,在自然界多以化合態存在.地殼中超過九成的物質是硅酸鹽類。如果說碳是地球上所有生物的基石,那么硅就是地球的基石。此外,硅也是人體必須的微量元素之一,占體重的0.026%,根據動物實驗推算人體每天的推薦攝入量為 5-10 mg。

3.應用

3.1硅單質

      硅晶體中沒有明顯的自由電子,是良好的半導體材料,其分子結構分布如[圖4] 所示,圖中正電荷表示硅原子,負電荷表示電子。20 世紀60 年代,人們發現在硅品體中摻入極微量的第IIA族或第VA族元素后,就會表現出活躍的半導體性能。 品體管就是利用半導體的導電性可以人為控制這一特性,控制晶體管的開關狀態。因此,品體管實際上就是一個開關,一個芯片上整合了數以百萬計的晶體管,它們通過影響相互的狀態來處理信息網由于硅原材科供應豐富、易開采價格低廉,硅晶體更容易實施氧化、光刻等工藝。因此,硅材料是當今產量最大、應用范圍最廣的半導體材料。

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      硅光電池即太陽能電池,同樣,良好的半導體性能也決定了硅系太陽能電池在太陽能電池中的主導地位,從人造衛星的太陽翼到光伏發電的太陽板,都屬于硅光電池的大家族。人類對于太陽能的利用且有十分悠久的歷史,但是最初只是局限于對光和熱的直接利用。利用太陽光來進行發電,則是20 世紀 50 年代以后的事情了。1839 年,法團科學家貝克勒爾發現光照能使半導體材料的不同部位產生電壓,即“光伏效應”。根據光伏效應設計的硅光電池,是人們利用太陽能的一種有效方式。

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      當摻入第 IILA 族元素硼時,硅晶體中就會缺少電子而形成P型半導體。當摻入第VA 族元素磷時,硅晶體中就會因為有剩余電子而形成?N 型半導體。當P型和N 型半導體結合在一起時,就會形成一個特殊薄膜。由于電子擴散而形成一個由 N 指向P的“內電場”,從而阻止擴散進行。達到平衡后,這樣一個特殊的薄層就會形成電勢差,從而形成PN結如【圖6】。當晶片受光后,PN 結中就會因為電子流動而形成從N 區到P區的電流。然后在 PN 結中形電勢差,這就形成了電源。當硅光電池表面受到太陽光的照射時,外電路中就會有電流通過。相比非晶硅電池,單晶硅和多晶硅太陽能電池的轉換效率、壽命、成本、原料供應等都更有優勢,這已經成為目前最理想的太陽能電池。

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3.2二氧化硅

      光導纖維,簡稱光纖,是依靠光在線纜中進行全反射從而達到用光進行載體傳輸信息的介質。既然要用光來傳輸,就要求介質盡可能透明,純二氧化硅可制得高透明度的玻璃纖維[圖7],且造價低,一根頭發絲那么細的玻璃纖維可以同時傳輸256路電話,通信容量高,不受電磁干擾,不怕竊聽,具有高保密性,因此該纖維便成了光導纖維界的領軍人物。

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      此外,多彩的瑪瑙[圖8]、海岸邊的沙礫、美麗的水晶、堅硬的燧石[圖9]等等,這些東西的主要成分都是二氧化硅。在不同人眼中二氧化硅有不同的身份,在地質學家眼中二氧化硅是石英、燧石、沙子等,在熱愛珠寶的人面前它又是紫水晶、蛋白石、瑪瑙等裝飾品。其中,燧石致密堅硬,是古代人類開始使用工具時最早采用的礦物之一。我們的祖先將其錘擊制成刮刀、錘子、斧頭等用以獲取食物,維持生活所需。

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3.3硅酸鹽

      陶瓷、玻璃、水泥三大硅酸鹽產品是使用量最大的無機非金屬材料。

      水泥是現代建筑的基礎材料,水泥的主原料為石灰或硅酸鹽、鋁硅酸鹽。全世界每年水泥的產量約 40 億噸,其中一半左右由中國生產的。目前最常用的硅酸水泥是1824 年英國人阿斯普丁發明的。

      玻璃也是一種硅酸鹽產物。有趣的是,自然界存在天然玻璃——黑曜石。黑曜石的化學組成為含水二氧化硅,顏色以黑色居多,碎片刃口十分鋒利。石器時代,遠古人類曾大量使用黑曜石,現代還有用黑曜石制作的外科手術刀片。普通的玻璃中含 75%的二氧化硅。在玻璃中加入各種金屬和金屬氧化物可以改變玻璃的顏色和光學性質。由玻璃制成的透鏡誕生了兩大科學利器一-望遠鏡和顯微鏡,人類憑借它們“大開眼界”,極大推動了科學發展進程。

      瓷器是中國人率先發明的硅酸鹽產品。瓷器的配方成分變化很大,但基本原料依然是黏土和高嶺土(主要成分為鋁硅酸鹽)。在電氣行業,瓷絕緣子是很好的高壓絕緣材料;瓷磚美觀、耐磨、不透水、易于清潔,是浴室裝修的首選;牙科瓷器由陶瓷或復合材料制成,能更好地模仿自然牙齒的外觀結構、色澤、硬度,適口感堪比真牙。

4.結語

      作為自然界分布極廣的元素,硅不僅是計算機時代的寵兒,更是地球的基石。它早就融入了人類生活的方方面面,不但藏身于歷史的長河中見證宇宙的滄海桑田,到了如今,更是出現在各種高科技領域中,成為元素中的“精英”。低調到塵土中的元素也能在歷史長河和信息時代里熠熠生輝。

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