Андрей Смирнов
Время чтения: ~22 мин.
Просмотров: 0

Температура плавления и характеристики алмаза

Потеря эффективности

Деградация солнечных монокристаллических и поликристаллических модулей зависит от качества исходных элементов – чем больше в них бора и кислорода, тем быстрее снижается КПД. В поликремниевых пластинах меньше кислорода, в монокремниевых – бора. Поэтому при равных качествах материала и условий использования особой разницы между степенью деградации тех и других модулей нет, в среднем она составляет около 1% в год. В производстве аморфных батарей используется гидрогенизированный кремний. Содержанием водорода обусловлена его более быстрая деградация. Так, кристаллические деградируют на 20% через 25 лет эксплуатации, аморфные быстрее в 2-3 раза. Однако некачественные модели могут потерять эффективность на 20% уже в первый год использования. Это стоит учесть при покупке.

Кристаллическая решетка — кремний

Кристаллическая решетка кремния называется тетраэдриче-ской или решеткой типа алмаза. Она характерна также для германия и всех четырехвалентных элементов. Характерная особенность тетраэдрической системы заключается в одинаковом расстоянии центрального атома от четырех угловых.

Кристаллическая решетка кремния и германия в плоскостном изображении.

Кристаллическая решетка кремния и германия имеет объемную структуру, но ради наглядности ее можно изобразить плоской, как это сделано на рис. 5.1. Большими кружками показаны ионы кремния или германия. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Внешние электроны показаны маленькими кружками. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи, показанные линиями на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в кова-лентных связях. При этом кремний и германий являются идеальными изоляторами, так как не имеют свободных электронов, создающих проводимость.

Кристаллическая решетка кремния построена так же, как и решетка алмаза.

Если в кристаллическую решетку кремния вводить элементы пятой группы, то атомы последних занимают положения, которые в их отсутствие были бы заняты атомами кремния. При этом четыре из пяти валентных электронов атома примеси образуют связи с атомами кремния в соседних узлах. Пятый электрон движется в кулоновском поле иона элемента пятой группы.

Генерация ( 1 и рекомбинация ( 2 носителей заряда в полупроводнике.

Атомы в кристаллической решетке кремния и ряда других полупроводников связаны друг с другом за счет обменных сил, возникающих в результате попарного объединения валентных электронов соседних атомов, при этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалент-ной. Повышение температуры вызывает колебательное движение атомов кристаллической решетки. В результате ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда: свободного электрона и незаполненной связи — дырки — вблизи того атома, от которого оторвался электрон. Процесс образования электронно-дырочнйх пар называется генерацией носителей заряда: Если этот процесс происходит под воздействием теплоты, то его называют термогенерацией.

Если в кристаллической решетке кремния атом Si заменить элементом V группы, например фосфором ( Р), то на внешней оболочке атома Р окажется один лишний электрон, который будет свободно перемещаться по кристаллу, увеличивая его электропроводность.

Кросограммы чистого кремния ( а и твердого раствора углерода в кремнии ( б.

Однако изменений параметра кристаллической решетки кремния не обнаружено.

Структуры полупроводников.

Связь атомов в кристаллической решетке кремния обусловлена специфическими обменными силами, возникающими в результате попарного объединения валентных электронов соседних атомов. Такую связь называют валентной. При этом каждый атом остается электрически нейтральным.

Движение атомов золота в кристаллической решетке кремния происходит в основном по междоузлиям, причем скорость этой диффузии на несколько порядков выше, чем у бора и фосфора.

Таким образом, в кристаллической решетке кремния ( со структурой алмаза) все его атомы тождественны друг другу.

Движение атомов золота в кристаллической решетке кремния происходит в основном по междоузлиям, причем скорость этой диффузии на несколько порядков выше, чем у бора и фосфора.

Изотопы и их применение

Основная статья: Изотопы кремния

Кремний состоит из стабильных изотопов 28Si (92,23 %), 29Si (4,67 %) и 30Si (3,10 %). Остальные изотопы являются радиоактивными.

Ядро 29Si (как и протон) имеет ядерный спин {{{1}}} и все шире используется в спектроскопии ЯМР. 31Si, образующийся при действии нейтронов на 30Si, имеет период полураспада равный 2,62 ч. Его можно определить по характеристическому β-излучению, и он очень удобен для количественного определения кремния методом нейтронно-активационного анализа. Радиоактивный нуклид 32Si имеет самый большой период полураспада (~170 лет) и является мягким (низкоэнергетическим) β-излучателем.

Химические свойства[править]

Схема атома кремния

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400—500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal4.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой SinH2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiС (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

Химические свойства

В соединениях
Кремний (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода,
Кремний наряду с координационным числом 4 проявляет координационное число 6,
что объясняется большим объемом его атома (примером таких соединений являются
кремнефториды, содержащие группу   [SiF6]2-).

Химическая связь
атома Кремния с другими атомами осуществляется обычно за счет гибридных sр3-орбиталей,
но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей,
особенно когда Кремний является шестикоординационным. Обладая малой величиной
электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т.
д.), Кремний в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения
носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si — О, равная 464
кДж/молъ (111 ккал/молъ), обусловливает стойкость его кислородных соединений
(SiO2 и силикатов). Энергия связи Si — Si мала, 176 кДж/молъ (42
ккал/моль); в отличие от углерода, для Кремния не характерно образование
длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе Кремний благодаря
образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах.
В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Известен также оксид кремния (II) SiO, устойчивый при высоких температурах в
виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твердый продукт,
легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO2. Кремний устойчив к
кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот;
легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. Кремний
реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами — при
нагревании с образованием соединений общей формулы SiX4. Водород
непосредственно не реагирует с Кремнием, и кремневодороды (силаны) получают
разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от SiH4 до
Si8H18 (по составу аналогичны предельным углеводородам).
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены

С
азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое
значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе
даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а
также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для
химической промышленности, для производства огнеупоров и других. Высокой
твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения
Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6,
SiB12)

При нагревании Кремний реагирует (в присутствии
металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями
(например, с СН3Сl) с образованием органогалосиланов , служащих для синтеза многочисленных
кремнийорганических соединений.

Кремний образует
соединения почти со всеми металлами — силициды (не обнаружены соединения только
с Bi, Tl, Pb, Hg). Получено более 250 силицидов, состав которых (MeSi, MeSi2,
Me5Si3, Me3Si, Me2Si и других)
обычно не отвечает классическим валентностям. Силициды отличаются тугоплавкостью
и твердостью; наибольшее практическое значение имеют ферросилиций (восстановитель
при выплавке специальных сплавов, см. Ферросплавы) и силицид молибдена MoSi2
(нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т. д.).

Теперь об аморфных батареях

Начнем с преимуществ: метод их изготовления самый простой и малобюджетный, потому что не требуется резка и обработка кремния. Это отражается в невысокой стоимости конечной продукции. Они неприхотливы – их можно установить куда угодно, и не привередливы – пыль и пасмурная погода им не страшны.

Однако у аморфных модулей есть и недостатки, перекрывающие их достоинства: по сравнению с вышеописанными видами, у них самый низкий КПД, они быстрее деградируют – эффективность снижается на 40% менее чем за 10 лет, и требуют много места для установки.

Мощность солнечных панелей для автономных систем выбирается исходя из необходимой вырабатываемой мощности, времени года и географического положения.

Необходимая вырабатываемая мощность определяется мощностью, требуемой потребителям электроэнергии, которые планируется использовать. При расчете стоит учитывать потери на преобразование постоянного напряжения в переменное, заряд-разряд аккумуляторов и потери в проводниках.

Солнечное излучение величина не постоянная и зависит от многих факторов – от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. Эти факторы также должны учитываться при расчете количества необходимой мощности солнечных панелей. Если планируется использование системы круглогодично, то расчет должен производиться с учетом самых неблагоприятных месяцев с точки зрения солнечного излучения.

При расчете для каждого конкретного региона необходимо проанализировать статистические данные о солнечной активности за несколько лет. На основании этих данных, определить усредненную действительную мощность солнечного потока на квадратный метр земной поверхности. Эти данные можно получить у местных или международных метеослужб. Статистические данные позволят с минимальной погрешностью спрогнозировать количество солнечной энергии для вашей системы, которая будет преобразована солнечными панелями в электроэнергию.

Кристалл и подложка

Кри­стал­лы — это такие твёр­дые тела, в кото­рых ато­мы и моле­ку­лы веще­ства нахо­дят­ся в стро­гом поряд­ке. Про­ще гово­ря, ато­мы в кри­стал­ле рас­по­ло­же­ны пред­ска­зу­е­мым обра­зом в любой точ­ке. Это поз­во­ля­ет точ­но пони­мать, как будет вести себя это веще­ство при любом воз­дей­ствии на него. Имен­но это свой­ство кри­стал­ли­че­ской решёт­ки исполь­зу­ют на про­из­вод­стве про­цес­со­ров.

Самые рас­про­стра­нён­ные кри­стал­лы — соль, дра­го­цен­ные кам­ни, лёд и гра­фит в каран­да­ше.

Боль­шой кри­сталл мож­но полу­чить, если крем­ний рас­пла­вить, а затем опу­стить туда зара­нее под­го­тов­лен­ный малень­кий кри­сталл. Он сфор­ми­ру­ет вокруг себя новый слой кри­стал­ли­че­ской решёт­ки, полу­чив­ший­ся слой сде­ла­ет то же самое, и в резуль­та­те мы полу­чим один боль­шой кри­сталл. На про­из­вод­стве он весит под сот­ню кило­грамм, но при этом очень хруп­кий.

Гото­вый кри­сталл крем­ния.

После того, как кри­сталл готов, его наре­за­ют спе­ци­аль­ной пилой на дис­ки тол­щи­ной в мил­ли­метр. При этом диа­метр тако­го дис­ка полу­ча­ет­ся око­ло 30 сан­ти­мет­ров — на нём будет созда­вать­ся сра­зу несколь­ко десят­ков про­цес­со­ров.

Каж­дую такую пла­стин­ку тща­тель­но шли­фу­ют, что­бы поверх­ность полу­чи­лась иде­аль­но ров­ной. Если будут зазуб­ри­ны или шеро­хо­ва­то­сти, то на сле­ду­ю­щих эта­пах диск забра­ку­ют.

Гото­вые отпо­ли­ро­ван­ные пла­сти­ны крем­ния.

Диоксид кремния

Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.

Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.

Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.

К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.

Стекло

■ 44. Приведите уравнения реакций, протекающих при получении стекла, и состав оконного стекла. (См. Ответ)

Стекло — вещество аморфное, прозрачное, в воде практически нерастворимо, но если измельчить его в мелкую пыль и смешать с небольшим количеством воды, то в полученной смеси с помощью фенолфталеина можно обнаружить щелочь. При длительном хранении щелочей в стеклянной посуде избыток SiO2 в стекле очень медленно реагирует со щелочью и стекло постепенно утрачивает прозрачность. Стекло стало известно людям более чем за 3000 лет до нашей эры. В древности получали стекла почти такого же состава, как и в настоящее время, но древние мастера руководствовались лишь собственной интуицией. В 1750 г. М. В. Ломоносов сумел разработать научные основы получения стекла. За 4 года М. В. Ломоносов собрал много рецептов изготовления разных стекол, особенно цветных. На построенной им стекольной фабрике было изготовлено большое количество образцов стекла, которые сохранились до наших дней. В настоящее время используются стекла разного состава, обладающие различными свойствами.

Кварцевое стекло состоит из почти чистой двуокиси кремния и выплавляется из горного хрусталя

Его очень важной особенностью является то, что коэффициент расширения у него незначительный, почти в 15 раз меньше, чем у обычного стекла. Посуду из такого стекла можно раскалить докрасна в пламени горелки и после этого опустить в холодную воду; при этом никаких изменений со стеклом не произойдет

Кварцевое стекло не задерживает ультрафиолетовых лучей, а если окрасить его никелевыми солями в черный цвет, то оно будет задерживать все видимые лучи спектра, но для ультрафиолетовых лучей останется прозрачным. На кварцевое стекло не действуют кислоты и вода, но щелочи его заметно разъедают. Кварцевое стекло более хрупко, чем обычное. Лабораторное стекло содержит около 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (состав стекол приводится не для запоминания).

В промышленности находят применение стекла иен-ское и пирекс. Иенское стекло содержит около 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Оно прочно, устойчиво к механическим воздействиям, имеет малый коэффициент расширения, устойчиво к щелочам. Стекло пирекс содержит 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Оно обладает такими же свойствами, как иенское стекло, но в еще большей степени, особенно после закалки, зато менее устойчиво к щелочам. Из стекла пирекс изготовляют предметы домашнего обихода, подвергающиеся нагреванию, а также детали некоторых промышленных установок, работающие при низких и высоких температурах.

Разные качества стеклу придают некоторые добавки. Например, примеси окислов ванадия дают стекло, полностью задерживающее ультрафиолетовые лучи. Получают также и стекло, окрашенное в различные цвета. Еще М. В. Ломоносов изготовил несколько тысяч образцов цветного стекла разной окраски и оттенков для своих мозаичных картин. В настоящее время методы окраски стекла детально разработаны. Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет, кобальта — в синий. Золото, распыленное в массе стекла в виде коллоидных частиц, придает ему рубиновую окраску и т. д. Свинцовые соединения придают стеклу блеск, подобный блеску горного хрусталя, поэтому оно называется хрустальным. Такое стекло легко поддается обработке, огранке. Изделия из него очень красиво преломляют свет. При окраске этого стекла различными добавками получается цветное хрустальное стекло.

Если расплавленное стекло смешать с веществами, которые при разложении образуют большое количество газов, то последние, выделяясь, вспенивают стекло, образуя пеностекло. Такое стекло очень легкое, хорошо обрабатывается, является прекрасным электро- и тепло-изолятором. Оно было впервые получено проф. И. И. Китайгородским. Вытягивая из стекла нити, можно получить так называемое стекловолокно. Если пропитать уложенное слоями стекловолокно синтетическими смолами, то получается очень прочный, не поддающийся гниению, прекрасно обрабатывающийся строительный материал, так называемый стеклотекстолит. Интересно, что чем тоньше стекловолокно, тем выше его прочность. Стекловолокно также применяется для изготовления спецодежды. Стеклянная вата является ценным материалом, через который можно фильтровать сильные кислоты и щелочи, не фильтрующиеся через бумагу. Кроме того, стеклянная вата является хорошим теплоизолирующим веществом.

■ 44. От чего зависят свойства стекол разных видов? (См. Ответ)

4.2. ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Наша цель — показать основные этапы изготовления материала, достигшие высокой степени технического совершенства, и на этом фоне обсудить перспективы развития возможных методов изготовления других, менее исследованных материалов.

4.2.1. Песок для кремния

Слово «кремний» (silicon происходит от латинского silex, что означает кремень, кремневая галька. Масса земной коры приблизительно на 20% состоит из кремния, в основном в виде -содержащих минералов (кварцита, агата, яшмы, опала и кремня) и силикатов (слюды, полевого шпата, цеолитов, гранатов и глиноземов) Хотя еще Лавуазье в 1787 г. предполагал, что — оксид не известного тогда элемента, элементарный кремний был выделен Берцелиусом только в 1823 г.

В настоящее время элементарный кремний главным образом применяется в сталелитейном производстве, для изготовления абразивов и получения кремнийорганических соединений. Стимулом для развития технологии выращивания монокристаллов послужили свойства элементарного кремния пропускать ИК-иэлучение. Лишь впоследствии кристаллический кремний в оптических компонентах ИК-техники был заменен на поликристаллические материалы с малыми потерями.

Впервые кремний использовали как компонент электронного устройства в 1906 г. в выпрямителе с точечным контактом. Несмотря на быстрое развитие полупроводниковой промышленности, использование его было относительно невелико: в 1964, 1972, 1978 гг. по 45, 500, 1500 т соответственно.

Кремний — легкий элемент, пластичный только при нагреве до температур, близких к температуре плавления он очень стоек к химическому воздействию. На его поверхности на воздухе практически мгновенно образуется слой толщиной 1—2 нм, затем толщина окисла постепенно возрастает до 5—6 нм. Кремний не подвержен воздействию большинства кислот, за исключением смеси но легко растворяется в КОН или с выделением Материал относительно легко поддается оптической полировке, однако из-за большого показателя преломления на выполненные из него оптические элементы необходимо наносить просветляющие покрытия.

Превращение исходного песка в высокочистый кремний происходит через следующие основные этапы:

1) восстановление до в электродуговой печи с графитовыми электродами;

2) получение промежуточного химического продукта, например трихлорсилана;

3) очистка дистилляцией или другими способами;

4) восстановление промежуточного химического продукта до чистого кремния в высокочистых условиях;

5) отливка в формы, удобные для последующего выращивания кристаллов;

Химические свойства кремния

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):

Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:

Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).

3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).

Si + C → SiC (2000°).

Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

Получение кремния из кварца

Кремний – второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода. По массе он составляет 27.7% земной коры. В природе он обычно встречается в виде сложных силикатов, то есть соединений оксида кремния с оксидами металлов, составляющих до 90% массы земной коры, а также, более редко, в виде чистого SiO2, кварца, Рис. 1. Тот же диоксид кремния, только мелкокристаллический, является основным компонентом обычного песка.

Именно переработкой такого песка и получают кремний, используемый в промышленности. Самым распространенным современным методом получения элементного кремния является восстановление диоксида кремния коксом в дуговых электрических печах, Рис. 2:

Смесь песка с коксом поступает в кратер печи, где она нагревается до 2000°С электрической дугой, образующейся между углеродными электродами. При таких температурах углерод кокса и электродов взаимодействует с оксидом кремния, превращаясь в газообразный монооксид углерода, и восстанавливает песок до элементного кремния:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Получающийся расплавленный кремний стекает через специальное отверстие внизу печи. После первичной очистки от шлака и газов, кремнию дают остыть, а потом дробят до нужного размера. В результате, в зависимости от используемых на производстве методов очистки, получается кремний либо технической (95 – 98%) либо металлургической (98 – 99.9%) чистоты, Рис. 3. Основными примесями в получаемом кремнии являются углерод и другие элементы, содержавшиеся в исходном кремнеземе, такие как бор, фосфор, алюминий¸ железо.

Главным побочным продуктом такого процесса является раскаленная смесь монооксида углерода и паров кремния. После выхода из печи полученные газы охлаждают, нагревая водяной пар, который далее используется для генерации электроэнергии, значительно снижая затраты на производство. Охлажденные же газы фильтруют, конденсируя кремниевые пары и получая дополнительно еще около 300 кг кремниевого конденсата на каждую тонну произведенного металлического кремния.

Применение[править]

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

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — материал для зеркал газовых лазеров.
Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях.
Соединения металлов с кремнием — силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.), а также силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.
Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент).
Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс, стеклокерамику (ситаллы) и изделия из них.

Оптикаправить

Основная статья: Оптические элементы из кремния
Основная статья: Линза из кремния

Плоско-выпуклая линза

Линзы контактные

Оптические элементы из кремния — линзы, призмы, пластинки, изготовленная из однородного кремния, прозрачны для инфракрасно излучения, преломляют Х-лучи и стойкие к Х-излучению.

Линзы контактные

Линзы из органических полимеров дают возможность создавать недорогие асферические линзы с помощью литья. В области офтальмологии созданы мягкие контактные линзы. Их производство основано на применении оптическиих полимерных материалов материалов (ОПМ), имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля.

Линзы из кремния

Файл:Linsa prelomlena rentgenovskich lutshey.jpg Линза преломления ретгеновских лучей

Линзы из кремния или рентгеновская оптика преломления — линзы, изготовленные из однородного кремния, прозрачные для инфракрасного излучения, рентгеновсого излучения, преломляющие Х-лучи.

В настоящее время нашли применение линзы из кремния

Это связано с современным уровнем технологий обработки твёрдых кристаллов и самое важное, кремний сочетает сверхнизкую! дисперсию с самым большим абсолютным значением коэффициента преломления n=3,4! в диапазоне ИК-излучения; линзы из кремния прозрачны к Х-лучам и способны их преломлять, фокусировать (мягкие и жёсткие Х-лучи), что в последнее время находят широкое применение в микроскопии, телескопии, вытесняя рентгеновскую дорогостоящую оптику с применением зеркал и оптических систем «скользящего» преломления Х-лучей. Они полностью непрозрачны в видимом диапазоне спектра

Кроме этого кремний обладает способностью создавать материалы, имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля. Что делает его самым перспективным в изготовлении мягких контактных линз.

Биологическая рольправить

Для некоторых организмов кремний является важным биогеным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10-2% кремния, костная ткань — 17·10-4%, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Очистка технического кремния через силаны

Большая часть кремния технической чистоты используется далее в металлургических производствах, в качестве компонента сплавов, например, бронзы, при выплавке чугуна и сталей, а также в качестве легирующего элемента или модификатора свойств металлов. Только небольшая часть металлургического кремния очищается дальше для использования в полупроводниковой промышленности.

Очистка такого кремния происходит следующим образом. Измельченный в порошок металлургический кремний смешивают с соляной кислотой в отсутствие воды при 300 °С в специальном реакторе и получают трихлорсилан SiHCl3.

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2

В ходе этой реакции такие примеси, как Fe, Al, и B, образуют свои галоидные соединения (FeCl3, AlCl3, и BCl3). Низкая температура кипения SiHCl3, составляющая 31.8°С, используется для его очистки от примесей дистилляцией. В получившемся таким образом SiHCl3 концентрация электрически активных примесей, таких как Al, P, B, Fe, Cu или Au, составляет меньше одного атома на миллиард атомов кремния.

Для восстановления кремния в технологиях, использующих трихлорсилан, в основном применяется Сименс-процесс (называемый так из-за того, что в свое время был разработан компанией Siemens): в протоке смеси газообразных силанов и водорода на поверхности нагретых до 650−1300°С кремниевых стержней (либо крошек в кипящем слое) происходит восстановление силана и осаждение свободного кремния.

SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl

Эта реакция протекает в больших вакуумных камерах в течение 200−300 часов, в результате чего образуются бруски ультрачистого поликристаллического кремния диаметром 150−200 мм, Рис. 4. Образующиеся в ходе реакции газообразные продукты уносятся протоком непрореагировавшей парогазовой смеси и после очистки и разделения могут быть использованы повторно.

Также иногда применяют другие модификации этого метода, использующие разложение силана SiH4, тетрахлорсилана SiCl4 или других галогенидов кремния, таких как фторид SiF4. Они бывают удобными для удаления некоторых специфических примесей, а также, благодаря различным температурам кипения разных силанов, могут быть более выгодными по энергоемкости и материалоемкости по сравнению с Сименс-процессом. Тем не менее, на сегодняшний день основным методом получения поликристаллического кремния является именно восстановление трихлорсилана.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации