Silikon

As 'n tetravalente metalloïede element is silikon minder reaktief as sy chemiese analoog, koolstof. Dit is die tweede volopste element in die Aarde se kors en maak 25.7% daarvan uit in gewig. Dit kom voor in klei, veldspaat, graniet, kwarts en sand, hoofsaaklik in die vorm van silikondioksied (ook bekend as silika) en silikate (verbindings wat silikon, suurstof en metale bevat). Silikon is die hoofbestanddeel van glas, sement, keramieke, die meeste halfgeleiermateriale en silikone. Laasgenoemde plastiese stof word dikwels verwar met silikon. Silikon word meer algemeen as germanium gebruik as halfgeleier, omdat germanium probleme ondervind met terugwaartse lekstroomvloei.

Kenmerkende eienskappe

In sy kristallyne vorm het silikon 'n metaalglans en 'n gryserige kleur. Selfs al is dit 'n relatief inerte element, reageer silikon steeds met halogene en verdunde alkalieë, maar die meeste sure (behalwe vir 'n kombinasie van salpetersuur en fluoorsuur) het geen invloed daarop nie. Elementêre silikon is deurlaatbaar vir 95% van die golflengtes van infrarooi lig. Suiwer silikon kristalle word selde in die natuur aangetref, aangesien natuurlike silikon gewoonlik as silika (Si O₂) voorkom. Suiwer silikon kristalle kan gevind word as insluitsels in goud of in vulkaniese uitbarstings. Dit het 'n negatiewe temperatuur weerstandskoëffisiënt.

Aanwendings

Silikon is 'n baie nuttige element wat noodsaaklik is vir baie menslike bedrywighede. Silikondioksied in die vorm van sand en klei is 'n belangrike bestanddeel van beton en bakstene en word ook gebruik in die vervaardiging van Portland sement. Silikon is 'n baie belangrike bousteen in plant- en dierelewe. Diatome onttrek silika uit water om hulle beskermende selwande te bou. Ander aanwendings is:

Erdewerk/Emalje - Dit is 'n vuurvaste materiaal wat gebruik word vir hoë temperatuur vervaardiging van materiale en die silikate word gebruik vir die maak van emaljes en erdewerk.
Staal - Silikon is 'n belangrike bestanddeel van sommige staalsoorte.
Glas - Silika uit sand is die hoofkomponent van glas. Glas kan in 'n verskeidenheid vorms gegiet word en word onder andere gebruik om vensterglas, houers en isolators te maak.
Skuurmiddels - Silikonkarbied is een van die belangrikste skuurmiddels.
Halfgeleiers - Ultra-suiwer silikon kan met arseen, boor, gallium of fosfor gedopeer word om silikon meer geleidend te maak vir gebruik in transistors, sonselle en ander halfgeleier-apparate.
Fotonika - Silikon kan gebruik word in lasers om koherente lig met 'n golflengte van 456 nm te produseer.
Geneeskundige materiale - Silikone is buigbare stowwe wat silikon-suurstof en silikon-koolstof verbindings bevat; hulle word baie gebruik vir aanwendings soos kunsmatige borsinplantings en vir kontaklense.
Vloeibare kristalskerms (LCD's) en sonselle - Gehidrogineerde amorfe silikon toon belofte vir die vervaardiging van lae koste, groot-oppervlak elektronikatoepassings soos rekenaarskerms asook vir laekoste sonselle.
Konstruksie - Silika is 'n hoofbestanddeel in bakstene vanweë sy lae chemiese aktiwiteit.

Geskiedenis

Silikon (Latyn silex, silicis wat vuursteen beteken) is eerste deur Antoine Lavoisier in 1787 geïdentifiseer en is later deur Humphry Davy in 1800 verkeerdelik met 'n chemiese verbinding verwar. In 1811 het Gay Lussac en Thénard waarskynlik 'n onsuiwere mengsel van amorfe silikon berei deur kalium saam met silikon tetrafluoried te verhit. In 1824 het Berzelius amorfe silikon voorberei deur ongeveer dieselfde metode te gebruik. Berzelius het ook die produk verder gesuiwer deur dit herhaaldelik te was.

Verspreiding

Silikon is die hoofkomponent van aeroliete wat 'n klas van meteoroïde is en ook van tektiete wat 'n natuurlike glas is.

Per gewig, maak silikon ongeveer 25.7% van die Aarde se kors uit en na suurstof is dit ook die tweede volopste element. Elementêre silikon word nie in die natuur aangetref nie. Dit kom meestal as oksiede en silikate voor. Sand, ametis, agaat, kwarts, rotskristal, vuursteen (flint), jaspis en opaal is sommige van die vorms waarin die oksied voorkom. Graniet, asbes, veldspaat, klei, hoornblende en mika is maar 'n paar van die vele silikaatbevattende minerale.

Vervaardiging

Silikon word kommersieel vervaardig deur die verhitting van hoë suiwerheid silika in 'n elektriese boogoond met koolstof elektrodes. By temperature hoër as 1900 °C word die silika na silikon gereduseer deur die koolstof volgens die chemiese vergelyking

Si O₂ + C → Si + C O₂

Vloeibare silikon versamel dan in die bodem van die oond en word dan gedreineer en verkoel. Die silikon wat so geproduseer word, word metallurgiese graad silikon genoem en het 'n suiwerheid van ten minste 99%. In 1997, het metallurgiese graad silikon ongeveer $ 0.50 per g gekos; in 2000 het die gemiddelde prys vir silikonmetaal gedaal na 56 Amerikaanse sent per pond [1].

Suiwering

Die gebruik van silikon in halfgeleier apparatuur vereis 'n baie hoër suiwergheidsgraad as wat toelaatbaar is vir mettalurgiese graad silikon. Geskiedkundig is verskeie tegnieke gebruik om hoë suiwerheid silikon te vervaardig.

Fisiese metodes

Vroeëre silikonsuiweringsmetodes was gebaseer op die feit dat wanneer vloeibare silikon begin stol, dit die onsuiwerste silikon is wat laaste stol. Die vroegste metode van silikonsuiwering, wat eerste in 1919 beskryf is en in beperkte hoeveelhede gebruik is om radarkomponente tydens die Tweede Wêreldoorlog te vervaardig, het die maal van mettalurgiese graad silikon en dan gedeeltelike oplossing daarvan in 'n suur behels. Wanneer dit gemaal is het die silikon gekraak op sodanige wyse dat die swakker onsuiwer liggings aan die buitekant van die silikonkorrels voorgekom het. Die gevolg was dat die onsuiwere silikon eerste opgelos is as dit met 'n suur behandel is en daarom die suiwerder silikon produk agtergelaat het.

Met die sonesmeltingstegniek, die eerste metode wat industrieel aangewend is, word stawe metallurgiese graad silikon verhit totdat die een kant begin smelt. Die verhitter word dan stadig teen die lengte van die staaf afbeweeg en sodoende word 'n kort lengte van die staaf heeltyd in die gesmelte toestand gehou soos die silikon daaragter weer verkoel en stol. Aangesien die meeste onsuiwerhede geneig is om in die gesmelte toestand te wil bly is dit geneig om heeltyd in die gesmelte sone te bly. Wanneer die proses dus afgehandel is, het die meeste onsuiwerhede dus na die punt wat laaste gesmelt is beweeg. Hierdie punt word dan afgesny en weggegooi en die proses word dan weer herhaal indien 'n hoër suiwerheid verlang word.

Chemiese metodes

Vandag word silikon eerder gesuiwer deur dit na 'n silikonverbinding om te skakel wat makliker gesuiwer kan word as die silikon self en die suiwer verbinding weer om te skakel na silikon. Trichlorosilaan is die silikonverbinding wat mees dikwels gebruik word, al word silikontetrachloried en silaan ook gebruik. Wanneer hierdie gasse oor silikon geblaas word teen hoër temperature ontbind hulle na silikon met 'n hoë suiwerheidsgraad.

In die Siemens proses word hoë suiwerheid silikonstawe blootgestel aan trichlorosilaan teen 1150 °C. Die trichlorosilaangas ontbind en vorm 'n addisionele silikon neerslag op die stawe volgens die volgende chemiese reaksie:

2 H Si Cl₃ → Si + 2 HCl + SiCl₄

Silikon vervaardig met hierdie en ander soortgelyke prosesse word poli-kristallyne silikon genoem. Die vlakke van onsuiwerheid in Poli-kristallyne silikon is tipies in die omgewing van 1 deel per miljard of minder.

DuPont het op 'n tyd 'n ultra-suiwer silikon vervaardig deur silikontetrachloried met hoë suiwerheid sinkdampe te reageer teen 950 °C, en sodoende silikon geproduseer het volgens die vergelyking:

SiCl₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl₂

Die tegniek was egter besaai met praktiese probleme (soos die sinkchloried byproduk wat gestol het en die lyne geblokkeer het) en is uiteindelik uitgefaseer ten gunste van die Siemens proses

Kristallisasie

Die Czochralski proses word dikwels gebruik om hoë suiwerheid silikon kristalle te maak vir gebruik in vastetoestand/halfgeleier apparate.

Isotope

Silikon het nege isotope, met massagetalle tussen 25 en 33. Si-28 (die volopste isotoop, teen 92.23%), Si-29 (4.67%) en Si-30 (3.1%) is stabiel; Si-32 is 'n radio-aktiewe isotoop wat geproduseer word deur die verval van argon. Si-32 se halfleeftyd na vele debat is vasgestel om as ongeveer 276 jaar, en dit verval deur Betastraling na P-32 (wat 'n 14.28 jaar halfleeftyd het) en dan na S-32.

Voorsorgmaatreëls

'n Ernstige longsiekte wat bekend staan as silikose (stoflong) kom dikwels voor in myners, steensnyers en ander mense wat werk in 'n omgewing waar silikahoudende stof in groot hoeveelhede ingeasem word.