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硅元素了解:“硅”不一定都在谷里!

文章出處:廣東帝博科技有限公司 人氣:-發表時間:2019-07-08

  硅是一種化學元素,英文名稱Silicon,化學符號是Si,舊稱矽,原子序數14,相對原子質量28.0855,密度2.4g/cm?,熔點1414℃,沸點2355℃ ,元素周期表上IVA族的類金屬元素。硅有晶體硅和無定形硅兩種同素異形體,晶體硅為鋼灰色,無定形硅為黑色,晶體硅屬于原子晶體,硬而有 光澤,有半導體性質。硅的化學性質比較活潑,在高溫下能與氧氣等多種元素化合,不溶于水、硝酸和yan酸,溶于氫氟suan和堿液。它是地殼中 含量僅次于氧的元素。硅土(又稱二氧化硅)是一類硅酸鹽礦物,也是沙、石英巖以及花崗巖的主要成分。

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  硅在自然界中分布極廣,一般很少以單質的形式出現,主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在,地殼中約含27.6%,是地殼中僅次于氧的第二豐富元 素。主要用來制作高純半導體、耐高溫材料、光導纖維通信材料、有機硅化合物、合金等,被廣泛應用于航空航天、電子電氣、建筑、運輸、能 源、化工、紡織、食品、輕工、醫療、農業等行業。


  國外專家Mietek Jaroniec表述了硅是如何深刻地影響著我們生活的方方面面,無論是在各種材料中與其他元素化合的硅,還是用來制作電子器件 的高純硅,又或者是更新形式的‘黑硅’。


  硅,是地殼中含量僅次于氧的元素。硅土(又稱二氧化硅)是一類硅酸鹽礦物,也是沙、石英巖以及花崗巖的主要成分;盡管大約75%的地球都由 硅土組成,但硅單質在自然界中卻很少見且直到19世紀才為人所知。其實,不純的非晶形硅可能最早在1811年便由Gay-Lussac和Thenard通過加熱 鉀和四氟化硅得到,然而,說起硅元素,人們還是會將其發現歸功于Berzelius,因為是他在1824年將通過上述方法所得的硅進一步潤洗提純而得 到了純硅。如今已經可以利用電爐加熱硅土與碳的混合物至遠遠高于硅熔點(1,414 °C)的溫度(1,900-2,350 °C)來實現硅的大規模生產。


  硅谷:激光照射過的硅表面掃描電子電鏡圖像(插圖)與美國猶他州布萊斯峽谷國家公園一角非常相似。

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  據美國地質調查所指出,截至2007年,全世界包括合成硅在內的純硅存儲量已經超過了50萬噸,這足以顯示其對當今科技的重要性。其中超過90% 的硅用來制造含硅化學品及合金。比如常用于汽車行業富鋁合金,以及被廣泛用作潤滑油、樹脂、橡膠或者密封膠的硅脂(特征為含有硅氧鍵和 硅碳鍵)。而以沙子形式存在的二氧化硅則是玻璃和混凝土這些最常用的材料的基礎原料。氣凝膠,由于其體積的90%都被孔洞所占據,屬于極輕 的二氧化硅形式,因此是非常有效的絕緣材料。


  這些應用固然非常重要,但硅對當今科技和生活方式產生的最深刻的影響卻要歸于其整體儲量中的一小部分(約5%),即用于包括電腦芯片、功 率晶體管、太陽能電池以及液晶顯示器和半導體探測器等各種電子器件中的高純硅。而硅集成電路的微型化也使得微電子學有了長足的進步,這 一領域正在進一步向納電子學進軍。另外多孔硅由于其發光特性以及巨大的表面積也促進了一系列傳感器的發展。微電子器件所需要的高純硅的 制備過程較為繁瑣,通常涉及到由粗金屬硅到氯硅烷的轉變(含有硅氯鍵的化合物),經過分離提純后由氫還原成多晶硅,再制成硅晶圓(光滑 的薄盤)。


  硅化學的豐富多彩令人驚嘆,且這一領域還在不斷涌現出新的發現。盡管1克沙粒的表面積非常小,但相同質量、擁有可及納米級(約3 nm)孔隙的硅膠粒子,其內表面積可以輕易超過1000平方米(大約一個奧林匹克游泳池的表面積)。這種具有有序納米孔隙的顆粒是在表面活性劑模板存 在的條件下合成的,這一合成策略為納米材料的發展提供了無限可能,比如納米多孔硅膠顆粒可以用于催化、分離、環境清理、藥物釋放以及納 米科技等各領域。

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  提及硅膠制品,就不得不來談一談由各種海洋生物大規模生產的、具有納米級精度的氧化硅材料。對大自然中的 “生物硅化作用”的理解,將會為新 型硅基材料的環境友好合成提供無限潛能,并將最終促使生物傳感器、生物催化以及現在被稱為“硅生物技術”的生物分子工程學的發展。


  另一驚人而具有科技前景的發現體現了揭示微納結構的重要性。1998年,哈佛大學的Mazur團隊報道了利用飛秒激光脈沖在含硫氣體存在情況下照 射硅晶片會使其光滑表面變成一個尖峰林立的微觀森林,與美國猶他州布萊斯峽谷國家公園非常相似(如圖)。通常,硅表面會將大部分光反射 ,但“黑硅”卻通過將可見光捕獲在尖峰之間而大大增強了對可見的吸收性能,這使其在太陽能電池中的應用更有前景。黑硅也可以吸收波長為 2500 nm的紅外輻射,因此,黑硅在光電中全新的應用也非常值得期待。這一事例說明,盡管硅發現已有200年,至今仍可以使我們驚嘆。

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  還有一些科學家指出,氧元素可能是地球內部的主要組成部分。先前一個國際研究小組使用地震數據、實驗室數據和理論計算證明地球內部存在氧元素。結果表明,氧元素占外核質量的3.7%。


  此外,該研究團隊還指出,外核還含有1.9%的硅元素,但并無碳或硫元素。


  很明顯,有關地核的輕元素還需要更深入的研究。


  盡管無法對地核直接進行研究,但科學家能從側面去了解地核的組成,這也能進一步促進我們對地球形成的理解。




  我國硅行業發展歷程:

  我國工業硅的發展始于1957年,在當時蘇聯幫助下在遼寧建成投產了采用單相雙電極爐的第一個生產單位。1960年以后,我國開始自行設計建設 單相和三相電極工業硅爐。從上世紀60年代初至70年代末,先后在遼寧、河北、江蘇、上海、天津、河南、青海、貴州等省區建成投產了十幾個 生產單位,形成了近2萬t/a的生產能力。這一階段,我國的工業硅生產處于國內自產自用,能夠達到自給自足的狀態。


  1980年以后,我國的工業硅開始出口,隨著出口量的迅速增加,生產企業數量迅速增漲。到80年代末,我國的工業硅企業達到約300家。1989年的 政治風波,使我國的工業硅生產遭受一次重大挫折,之后的幾年,我國的工業硅企業關停或轉產了一半以上。上世紀90年代中期,世界工業硅出 現了短暫的供不應求,價格上揚,我國的工業硅企業又有一些恢復生產,還有一些單位新建或增建了工業硅爐。90年代后期,受國際市場工業硅 價格下滑和亞洲金屬危機等因素影響,我國東北、華北、西北、華東等地區的一些工業硅企業又有一批停產或轉產,同時在電力供應充足,且電 價較低的貴州、云南、四川等省區又新建了一批工業硅企業。

  進入21世紀以來,隨著我國各地區能源和原材料供應狀況和價格的不斷變化,不適合繼續生產的企業被迫關停,而具有能源等供應優勢地區的新 建工業硅企業的建設,仍在不斷進行著。2004年以來,國家對一些資源性產品行業出臺了一系列宏觀調控政策,工業硅行業是被國家宏觀調控的 行業之一。近幾年來工業硅企業又面臨著新的考驗和抉擇。1957年至今,經過50多年的發展,我國建成投產的工業硅企業達到600家以上,目前仍 在生產的企業有200家以上,擁有生產能力達到200萬t/a以上,實際年產量早已超過100萬t。


此文關鍵詞:硅,硅元素,硅膠,硅膠制品,有機硅

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