シリコン：歴史、特性、構造、入手、用途 - 化学 - 2024

シリコンは非ある - 金属と同一の時間要素は、化学記号のSiで表されるメタロイド。コンピュータ、計算機、携帯電話、太陽電池、ダイオードなどに欠かせない半導体です。それは事実上、デジタル時代の確立を可能にした主要なコンポーネントです。

シリコンは常に石英とケイ酸塩に存在しており、どちらの鉱物も地殻全体の約28質量％を占めています。したがって、それは地球の表面で2番目に豊富な要素であり、砂漠とビーチの広大さは、それがどれほど豊富であるかという見方を提供します。

砂漠は、他の鉱物とともに、シリカ粒子や花崗岩の豊富な天然資源です。出典：Pxhere。

シリコンは、その下にある炭素と同じ周期表のグループ14に属しています。そのため、この元素は4価の半金属と見なされます。それは4つの価電子を持ち、理論的にはそれらすべてを失ってSi ⁴⁺カチオンを形成する可能性があります。

石炭と共有する特性の1つは、相互にリンクする能力です。つまり、それらの原子は共有結合して分子鎖を定義します。また、シリコンは、シランと呼ばれる独自の「炭化水素」を形成できます。

自然界の主なシリコン化合物は有名なケイ酸塩です。純粋な形態では、単結晶、多結晶、またはアモルファスの固体として表示されます。比較的不活性な固体であるため、大きなリスクはありません。

歴史

シリコンストーン

シリコンはおそらく人類の歴史の中で最も影響力を持っている要素の一つです。

この要素は、石器時代の主役であり、デジタル時代の主役でもあります。その起源は、文明がかつてクォーツを使用して独自の眼鏡を作ったときにさかのぼります。そして今日、それはコンピュータ、ラップトップ、スマートフォンの主要コンポーネントです。

シリコンは事実上、私たちの歴史の中で明確に定義された2つの時代の石です。

隔離

シリカは非常に豊富で、フリントロックから生まれた名前であるため、地球の地殻に非常に豊富な元素を含んでいたに違いありません。これは、1787年に錆からそれを減らす試みに失敗したアントワーヌLavoisierの正しい疑いでした。

その後、1808年にハンフリーデービーは彼自身の試みを行い、要素にその最初の名前を付けました。つまり、シリコンはその特性が不足していたため、当時は金属と見なされていました。

その後、1811年、フランスの化学者であるジョセフL.ゲイルサックとルイジャックテナールが初めてアモルファスシリコンの製造に成功しました。このため、彼らは四フッ化ケイ素を金属カリウムと反応させた。しかしながら、彼らは得られた生成物を精製または特徴付けしなかったので、彼らはそれが新しい元素のケイ素であると結論しませんでした。

スウェーデンの化学者Jacob Berzeliusがシリコンと認識するのに十分な純度のアモルファスシリコンを得たのは1823年まででした。1817年にスコットランドの化学者Thomas Thomsonが非金属元素と見なしたときに付けた名前。ベルゼリウスは、フルオロケイ酸カリウムと溶融カリウムの間の反応を実行して、このシリコンを生成しました。

結晶シリコン

結晶シリコンは、1854年にフランスの化学者ヘンリーデヴィルによって最初に準備されました。これを達成するために、Devilleは塩化アルミニウムと塩化ナトリウムの混合物の電気分解を実行し、ケイ化アルミニウムの層で覆われたシリコン結晶を得て、水で洗って（明らかに）除去しました。

物理的及び化学的性質

外見

金属光沢のある元素シリコンですが、実際には半金属です。出典：化学元素の高解像度画像

純粋なまたは元素の形のシリコンは、灰色ではない、または青みがかった黒色の固体（上の画像）で構成されています。

硬いがもろい固体であり、多結晶で構成されている場合は、表面がフレーク状になります。一方、アモルファスシリコンは、ダークブラウンの粉末状の固体のように見えます。これにより、あるタイプのシリコン（結晶質または多結晶質）を別のタイプ（アモルファス）から簡単に識別して区別することができます。

モル質量

28.085 g / mol

原子番号（Z）

14（₁₄はい）

融点

1414ºC

沸点

3265ºC

密度

-室温で：2.33 g / mL

-融点右：2.57 g / mL

液体シリコンは固体シリコンよりも密度が高いことに注意してください。これは、氷水システムで発生するように、その結​​晶が同じ液相に浮くことを意味します。その理由は、その結晶内のSi原子間の原子間スペースが、液体内の対応するもの（密度が高い）よりも大きい（密度が低い）ためです。

融合熱

50.21 kJ / mol

気化熱

383 kJ / mol

モル熱容量

19.789 J /（mol K）

電気陰性

ポーリングスケールで1.90

イオン化エネルギー

-最初：786.5 kJ / mol

-2番目：1577.1 kJ / mol

-3番目：3231.6 kJ / mol

原子ラジオ

111 pm（それぞれのダイヤモンド結晶で測定）

熱伝導率

149 W /（m K）

電気抵抗率

2.3・10 ³ Ω・20ºCでM

モース硬度

6.5

連結

シリコン原子は単純なSi-Si結合を形成する能力があり、最終的に鎖（Si-Si-Si…）を定義します。

この特性は、炭素と硫黄によっても明らかにされます。ただし、シリコンのsp ³ハイブリダイゼーションは他の2つの元素のそれと比較して貧弱であり、さらに、それらの3p軌道はより拡散しているため、結果のsp ³軌道のオーバーラップは弱くなります。

Si-SiおよびCC共有結合の平均エネルギーは、それぞれ226 kJ / molおよび356 kJ / molです。したがって、Si-Si結合は弱くなります。このため、シリコンは生命の基礎ではありません（硫黄も同様です）。実際、シリコンが形成できる最も長い鎖または骨格は通常、4員（Si ₄）です。

酸化数

シリコンは、それぞれの電荷を持つイオンの存在を前提として、次のいずれかの酸化数を持つことができます：-4（Si ^4-）、-3（Si ^3-）、-2（Si ^2-）、-1（Si ^-）、+ 1（Si ⁺）、+ 2（Si ²⁺）、+ 3（Si ³⁺）および+4（Si ⁴⁺）。それらすべての中で、-4と+4が最も重要です。

たとえば、シリサイド（Mg ₂ SiまたはMg ₂ ²⁺ Si ^4-）では-4が想定されます。一方、+ 4はシリカ（SiO ₂またはSi ⁴⁺ O ₂ ^2-）に対応します。

反応性

シリコンは水や強酸や強塩基に完全に不溶です。ただし、硝酸とフッ化水素酸の混合液（HNO ₃ -HF）に溶解します。同様に、それは熱アルカリ溶液に溶解し、次の化学反応が起こります：

Si（s）+ 2NaOH（aq）+ H ₂ O（l）=> Na ₂ SiO ₃（aq）+ 2H ₂（g）

メタケイ酸ナトリウム塩Na ₂ SiO _3は、シリコンが溶融炭酸ナトリウムに溶解したときにも形成されます。

Si（s）+ Na ₂ CO ₃（l）=> Na ₂ SiO ₃（l）+ C（s）

室温では、SiO _2のガラス質保護層が形成され始めると、900℃でさえ、酸素とはまったく反応しません。その後、1400℃で、シリコンは空気中の窒素と反応して、窒化物、SiNおよびSi ₃ N _4の混合物を形成します。

シリコンはまた、高温で金属と反応して金属シリサイドを形成します。

2Mg（s）+ Si（s）=> Mg ₂ Si（s）

2Cu（s）+ Si（s）=> Cu ₂ Si（s）

室温では爆発的に直接ハロゲンと反応します（これから保護するためのSiO ₂層はありません）。たとえば、SiF _4の生成反応があります。

Si（s）+ 2F ₂（g）=> SiF ₄（g）

シリコンは水に不溶ですが、蒸気の流れと真っ赤に反応します。

Si（s）+ H ₂ O（g）=> SiO ₂（s）+ 2H ₂（g）

構造と電子構成

球と棒のモデルで表されるシリコンの結晶構造またはユニットセル。出典：Benjah-bmm27

上の画像は、ダイヤモンドと同じシリコン結晶の面心立方構造（fcc）を示しています。灰色がかった球はSi原子に対応し、Si原子は、共有結合で相互に結合しています。さらに、それらは、結晶に沿って再現される四面体環境を持っています。

立方体の各面（6×1/2）にSi原子が観察されるため、シリコン結晶はfccです。同様に、立方体の頂点（8×1/8）には8つのSi原子があり、その内部には4つのSi原子があります（周囲に明確に定義された四面体を示すもの、4×1）。

つまり、各ユニットセルには合計8つのシリコン原子があります（3 + 1 + 4、上の段落で示した数値）。純粋なシリコンはダイヤモンドのような共有結合結晶であるため、その高い硬度と剛性を説明するのに役立つ特性。

共有性

この共有特性は、炭素と同様に、シリコンも電子構成に応じて4つの価電子を持っているという事実によるものです。

3s ² 3p ²

結合では、純粋な3sおよび2p軌道は役に立たない。これが、原子が4つのsp ³ハイブリッド軌道を作成する理由です。これにより、4 つのSi-Si共有結合が形成され、2つのシリコン原子の価数オクテットが完成します。

シリコン結晶は、相互接続された四面体で構成される3次元の共有格子として視覚化されます。

ただし、このネットワークには欠陥と粒界があり、1つの結晶を別の結晶から分離して定義するため、完全ではありません。そして、そのような結晶が非常に小さくて数が多い場合は、その異質な光沢（銀のモザイクまたは鱗状の表面に似ています）によって識別される多結晶固体について話します。

電気伝導率

電子が適切に配置されたSi-Si結合は、原則として金属に期待されるものとは異なります。少なくともこれは室温でそうです。

ただし、温度が上昇すると、シリコンは電気を伝導し始め、金属のように振る舞います。つまり、半導体半金属元素です。

アモルファスシリコン

四面体シリコンは、常に構造パターンを採用しているわけではありませんが、無秩序に配置することができます。そして、その混成がsp ^3ではなくsp ²であるように見えるシリコン原子でさえ、それはさらに無秩序の程度を増加させることに貢献する。したがって、アモルファスシリコンと非結晶シリコンについて説明します。

アモルファスシリコンには電子空孔があり、その原子のいくつかは不対電子との軌道を持っています。このおかげで、その固体は水素化され、水素化アモルファスシリコンが形成されます。つまり、四面体が無秩序で任意の位置に完了するSi-H結合を持っています。

次に、このセクションは、シリコンは3種類の固体（純度の程度は言うまでもありません）、結晶性、多結晶性、アモルファスの3種類の固体で提供できると述べています。

それぞれに独自の製造方法またはプロセスがあり、その3つのうちどれを使用するかを決定するときのアプリケーションとトレードオフがあり、その長所と短所を知っています。

見つけて入手する場所

クォーツ（シリカ）結晶は、シリコンが発見された主要で最も異常な鉱物の1つです。出典：James St. John（https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830）

シリコンは、宇宙で7番目に豊富な元素であり、地球の地殻で2番目の元素であり、鉱物の豊富なファミリーで地球のマントルを豊かにします。この元素は酸素と非常によく結びつき、広範囲の酸化物を形成します。その中で、シリカ、SO ₂、およびケイ酸塩（多様な化学組成のもの）。

砂は主にSiO _2で構成されているため、砂漠やビーチではシリカが肉眼で見ることができます。次に、この酸化物は、いくつかの多形に現れます。最も一般的なものは、石英、アメジスト、瑪瑙、クリストバライト、トリポリ、コーサイト、スティショバイト、トリジマイトです。さらに、オパールや珪藻土などのアモルファス固体にも含まれています。

一方、ケイ酸塩は構造的および化学的にさらに豊富です。ケイ酸塩鉱物には、アスベスト（白、茶、青みがかったもの）、長石、粘土、雲母、かんらん石、アルミノケイ酸塩、ゼオライト、角閃石、輝石などがあります。

事実上すべての岩石はシリコンと酸素で構成されており、安定したSi-O結合があり、それらのシリカとケイ酸塩は金属酸化物と無機種と混合されています。

-シリカの削減

シリコンを得るという問題は、上記のSi-O結合を破壊することであり、そのためには特別な炉と優れた還元戦略が必要です。このプロセスの原料は、石英の形をしたシリカで、細かい粉末になるまであらかじめ粉砕されています。

この粉砕されたシリカから、アモルファスまたは多結晶シリコンのいずれかを調製することができます。

アモルファスシリコン

小規模で、実験室で適切な方法で実施され、シリカはるつぼ内でマグネシウム粉末と混合され、空気がない状態で焼却されます。その後、次の反応が起こります。

SiO ₂（s）+ Mg（s）=> 2MgO（s）+ Si（s）

マグネシウムとその酸化物は、希塩酸溶液で除去されます。次に、残った固体はフッ化水素酸で処理され、過剰なSiO _2が反応を終了します。そうでなければ、過剰のマグネシウムは、それぞれのシリサイド、Mg ₂ Si、プロセスにとって望ましくない化合物の形成に有利です。

SiO ₂は揮発性ガスSiF ₄に変換され、他の化学合成のために回収されます。最後に、アモルファスシリコン素材は水素ガスの流れの下で乾燥されます。

アモルファスシリコンを取得する別の同様の方法は、以前に生成された同じSiF ₄またはSiCl ₄（以前に取得）を使用することで構成されます。これらのハロゲン化ケイ素の蒸気は、不活性雰囲気中で液体ナトリウム上を通過するため、酸素の存在なしでガスの還元を行うことができます。

SiCl ₄（g）+ 4Na（l）=> Si（s）+ 4NaCl（l）

興味深いことに、アモルファスシリコンはエネルギー効率の良いソーラーパネルを作るために使用されています。

結晶シリコン

粉砕されたシリカまたは石英から出発して、それらは電気アーク炉に運ばれ、そこでコークスと反応します。このようにして、還元剤はもはや金属ではなく、高純度の炭素質材料です。

SiO ₂（s）+ 2C（s）=> Si（s）+ 2CO（g）

この反応により、炭化ケイ素SiCも生成されます。これは過剰なSiO ₂で中和されます（ここでも石英は過剰です）。

2SiC（s）+ SiO ₂（s）=> 3Si（s）+ 2CO（g）

結晶シリコンを準備する別の方法は、還元剤としてアルミニウムを使用することです：

3SiO ₂（s）+ 4Al（l）=> 3Si（s）+ 2Al ₂ O ₃（s）

そして、ヘキサフルオロケイ酸カリウム塩K ₂から出発して、金属アルミニウムまたはカリウムと反応して同じ生成物を生成します。

K ₂（l）+ 4Al（l）=> 3Si（s）+ 6KF（l）+ 4AlF ₃（g）

シリコンはすぐに溶融アルミニウムに溶解し、システムが冷却されると、最初のものが結晶化して2番目から分離します。つまり、灰色がかった色のシリコン結晶が形成されます。

多結晶シリコン

他の合成や生産とは異なり、多結晶シリコンを得るには、シラン気相のSiH ₄から始めます。このガスは、熱分解が発生するように500℃を超える温度で熱分解されます。したがって、最初の蒸気から、シリコンの多結晶が最終的に半導体表面に堆積します。

次の化学式は、発生する反応を例示しています。

SiH ₄（g）=> Si（s）+ H ₂（g）

明らかに、それはSiH ₄と反応するので、チャンバー内に酸素があってはなりません：

SiH ₄（g）+ 2O ₂（g）=> SiO ₂（s）+ 2H ₂ O（g）

そして、それは燃焼反応の自発性であり、シランの空気への暴露を最小限に抑えながら、室温で急速に発生します。

このタイプのシリコンを製造する別の合成ルートは、原料としての結晶シリコンから始まります。約300ºCの温度で塩化水素と反応させるため、トリクロロシランが形成されます。

Si（s）+ 3HCl（g）=> SiCl ₃ H（g）+ H ₂（g）

そして、SiCl ₃ H は1100ºCで反応してシリコンを再生しますが、現在は多結晶です。

4SiCl ₃ H（g）=> Si（s）+ 3SiCl ₄（g）+ 2H ₂（g）

方程式を見て、考慮しなければならない作業と厳密な生産パラメーターのアイデアを取得してください。

同位体

シリコンは自然に、主に²⁸ Si 同位体として存在し、その存在量は92.23％です。

これに加えて、安定であり、したがって、放射性崩壊を受けない2つの他の同位体がある：²⁹のSi、4.67％と豊富であり; そして³⁰ 3.10パーセントの豊富なはい、。²⁸ Si は非常に豊富で、シリコンの原子量が28.084 uであることは驚くに値しません。

シリコンは、³¹ Si（t _1/2 = 2.62時間）および³² Si（t _1/2 = 153年）などのさまざまな放射性同位元素にも含まれています。その他（²² Si- ⁴⁴ Si）のt _1/2は非常に短いか短い（100分の1秒未満）。

リスク

純粋なシリコンは比較的不活性な物質であるため、曝露量が少ない限り、通常、臓器や組織に蓄積しません。粉末状の場合、目を刺激し、水や赤みを引き起こします。また、触れると、皮膚の不快感、かゆみ、剥がれを引き起こします。

曝露が非常に高い場合、シリコンは肺を損傷する可能性があります。しかし、窒息を引き起こすのに十分な量でない限り、後遺症なし。ただし、これは、肺癌や気管支炎や気腫などの疾患に関連する石英の場合には当てはまりません。

同様に、純粋なシリコンは自然界では非常にまれであり、その化合物は地球の地殻に豊富に含まれているため、環境へのリスクはありません。

現在、有機ケイ素に関しては、これらは有毒である可能性があります。しかし、それらの多くは存在するため、考慮されているもの、および他の要因（反応性、pH、作用メカニズムなど）に依存します。

用途

建設業

シリコンミネラルは、建物、家、または記念碑が構築される「石」を構成します。たとえば、セメント、コンクリート、スタッコ、耐火レンガは、ケイ酸塩をベースにした固体混合物で構成されています。このアプローチから、都市や建築におけるこの要素の有用性を想像できます。

ガラスとセラミック

光学デバイスで使用される結晶は、絶縁体、分光光度計のサンプルセル、圧電性結晶、または単なるレンズとして、シリカから作成できます。

また、材料が複数の添加剤で調製されると、ガラスとしてよく知られているアモルファス固体に変化します。そして砂の山は通常、その生産に必要なシリカまたは石英の供給源です。一方、ケイ酸塩ではセラミック材料や磁器が製造されます。

アイデアが絡み合って、シリコンは工芸品や装飾品にも存在します。

合金

シリコン原子は凝集し、金属マトリックスと混和する可能性があるため、多くの合金や金属の添加物になります。例えば、磁気コアを作るための鋼; ブロンズ、電話ケーブルの製造用。アルミニウムは、軽自動車部品向けのアルミニウム-シリコン合金の製造に使用されます。

したがって、建物の「石」だけでなく、柱の金属にも含まれています。

乾燥剤

乾燥剤として使用されるゼラチン状のシリカボール。ソース：乾燥剤

シリカは、ゲルまたはアモルファスの形で、容器に入る水分子を閉じ込めて内部を乾いた状態に保つことにより、乾燥剤として機能する固体を製造することを可能にします。

電子産業

太陽電池パネルの製造には、多結晶シリコンとアモルファスシリコンが使用されます。出典：Pxhere。

異なる厚さと色のシリコン層は、固体（結晶性またはアモルファス）と同様に、コンピューターチップの一部であり、集積回路と太陽電池が設計されています。

半導体であるため、電子の数が少ない（Al、B、Ga）または多い（P、As、Sb）原子を組み込んで、それぞれpon型半導体に変換します。2つのシリコーンの接合部（1つはn、もう1つはp）を使用して、発光ダイオードを作成します。

シリコーンポリマー

有名なシリコーン接着剤は、Si-O-Si結合の鎖の安定性に支えられた有機ポリマーで構成されています…これらの鎖が非常に長い、短い、または架橋している場合、シリコーンポリマーの特性が変化し、最終用途も変わります。 。

以下にリストされているその用途の中で、以下が言及されるかもしれません：

-接着剤または接着剤、紙を結合するだけでなく、積み木、ゴム、ガラスパネル、岩など。

-油圧ブレーキシステムの潤滑剤

-塗料を強化し、色の明るさと強度を向上させますが、割れたり食べたりすることなく温度変化に抵抗できます

-それらは撥水スプレーとして使用され、一部の表面または物体を乾いた状態に保ちます

-個人用衛生用品（歯磨き粉、シャンプー、ジェル、シェービングクリームなど）に絹のような感触を与えます。

-そのコーティングは、マイクロプロセッサなどの繊細なデバイスの電子コンポーネントを熱や湿気から保護します

-シリコーンポリマーを使用すると、床に落とされるとすぐに跳ね返るゴムボールがいくつか作成されています。

参考文献

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