سیلیکن
سیلیکن یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن Si و عدد اتمی آن 14 میباشد. این شبه فلز 4 ظرفیتی به واکنش پذیری کربن نیست. این عنصر دومین عنصر از نظر فراوانی در سطح پوسته زمین است که 25.7% از وزن آن را به خود اختصاص میدهد. این عنصر در خاک رس Feldspar گرانیت کوارتز و ماسه معمولا به شکل دی اکسید سیلیکن وجود دارد که با عنوان سیلیکا شناخته میشود. ترکیبات سیلیکاتی حاوی سیلیکن اکسیژن و فلزات هستند . سیلیکن ماده اصلی شیشه ماده های نیمه رسانا سیمان سرامیک و Silicones میباشد که ماده پلاستیکی است که نام آن معمولا با سیلیکن اشتباه میشود.
خصوصیات قابل توجه
سیلیکن به صورت کریستال و متبلور درخشش فروزانی و رنگ مایل به خاکستری دارد. اگرچه سیلیکن یک عنصر بی اثر است ولی با هالوژنها واکنش نشان داده و مواد قلیایی را رقیق میکند. اما بیشتر اسیدها بجز اسید هیدروفلوریک بر آن اثر نمیگذارند. سیلیکن Element بیش از 95% طول موج نور مادون قرمز را انتقال میدهد.
کاربردها
سیلیکن ماده بسیار مهمی است که برای بسیاری از صنایع بشری نقش حیاتی دارد. دی اکسید سیلیکن به شکل ماسه و خاک رس ماده اصلی ساخت بتون و آجر بوده و در ساخت سیمان نیز استفاده میشود. سیلیکن یک عنصر بسیار مهم برای زندگی گونه های حیوانات و گیاهان است. دیاتم ها سیلیکا را از آب میگیرند تا دیواره های سلولی محافظ خود درا بسازند. دیگر کاربردهای سلیکن عبارتند از:
سیلیکن از مواد بسیار مقاوم و نسوزی است که تولید مواد با درجه حرارت بالا استفاده میشود . همچنین سیلیکاتهای آن در مینا کاری و سفالگری کاربرد دارد.
سیلیکن جزء اصلی برخی از فلزات میباشد.
سیلیکا ی ماسه از ترکیبات مهم شیشه است. شیشه میتواند به شکلهای گوناگون ساخته شده و در پنجره ها ظرفهای نگه دارنده و عایق ها استفاده شود.
کاربد سیلیکن از مواد ساینده بسیار مهم به شمار میرود.
سیلیکن Ultrapure میتواند با آرسنیک , بورون ,گالیوم یا فوسفور تخدیر شده و رسانایی سلیکن را برای استفاده در ترانزیستورها سلولهای خورشیدی و وسایل نیمه هادی که در الکترونیک کاربرد دارند افزایش دهد.
سیلیکن میتواند در لیزرها برای تولید نور منسجم با طول موج 2560Angstrom به کار رود.
Silicones ها ترکیبات قابل انعطافی هستند که شامل Silicon-Oxygen Silicon Carbon, میشوند که به میزان گسترده ای در کاشت سینه مصنوعی و لنزهای تماسی استفاده میشوند.
به نظر میرسد که سیلیکن بی نظم هیدروژنه در مقیاس وسیع در الکترونیک و سلولهای خورشیدی بکار گرفته شود.
سیلیکا به دلیل واکنش پذیری پایینش عنصر اصلی سازنده آجر میباشد.
تاریخچه
سلیکن که از واژه لاتین Silex به معنی سنگ چخماق گرفته شده است برای اولین بار توسط Antonie Lavoisier در سال 1787 شناسایی شد و بعدا توسط Humphry Davy برای یک ترکیب بصورت نادرست دوباره گرفته شد. در سال 1811 Gay)) Lussac))و Thenard سیلیکن بی نظم و ناخالصی را بوسیله گرما دادن پتاسیوم
سیلیکن به دست آوردند. در سال 1824 Berzelius سیلیکن بی نظم را تقریبا با همان شیوه Lussac به دست آورد. Berzelius همچنین این عنصر را با شستن مکرر آن پالایش کرد.
پیدایش
سیلیکن ماده اصلی شهاب سنگهای Aerolite بوده که یک گروه از شهاب سنگها میباشد. همچنین سیلیکن ماده اصلی Tektites ها که ماده اصلی شیشه میباشند را نیز تشکیل میدهد.
سیلیکن بعد از اکسیژن دومین عنصر در پوسته زمین است که 25.7% آن را به خود اختصاص میدهد. عنصر سیلیکن به صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد و معمولا به صورت اکسید (سیلیکات) وجود دارد. ماسه یاقوت عقیق کوارتز سنگ کریستال سنگ چخماق یشم و اوپال همگی موادی هستند که در آنها اکسید سیلیکن وجود دارد. گرانیت پنبه نسوز Feldspar خاک رس Hornblende و میکا تعدادی از کانی های سیلیکات میباشند.
تولید
سیلیکن به صورت اقتصادی با حرارت دادن سیلیکای خالص در کوره با استفاده از الکترودهای کربنی به دست می آید. در دمای بالا 1900 درجه سانتیگراد کربن سیلیکا را بر طبق معادله زیر به سیلیکن تبدیل میکند.
SiO+ 2C → Si + CO2
سلیکن مایع در زیر کوره جمع شده و سپس سرد و خشک میشود. سلیکنی که از ای راه به دست آید Metallurgical Grade Silicon نامیده میشود 99% خالص میباشد. در سال 1997 این شیوه حدودا 50 سنت در هر گرم هزینه در بر داشت.
پالایش
استفاده از سلیکن در وسایل نیمه هادی تخلیص بیشتری از شیوه Metallurgical Grade Silicon را میطلبید. در طول تاریخ شیوه های گوناگونی برای تولید سیلیکن خالص وجود داشته است.
روشهای فیزیکی
روشهای اولیه پالایش سیلیکن بر این اساس بوده است که اگر سیلیکن ذوب شود و دوباره منجمد شود آخرین قسمت جسم که جامد میشود بیشترین خلوص را دارد. اولین شیوه پالایش سلیکن در سال 1919 شرح داده شد و در ساخت اجزاء رادارها در طی جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. که این عمل در واقع فشردن سلیکن به دست آمده از طریق شیوه Metallurgical Grade Silicon و حل کردن پودر سلیکن در اسید بود. به هنگام فشردن سیلیکن قسمت ناخالص در بیرون تفاله سلیکن قرار میگرفت و به این طریق دانه های خالص سلیکن به دست می آمد. و در نتیجه سلیکن نا خالص اولین چیزی بود که در اسید حل میشد و سلیکن خالصتر را باقی میگذاشت.
در مرحله آب شدن در اولین شیوه پالایش سلیکن که در صنعت بسیار استفاده میشود میله های Metallurgical Grade گرما داده میشوند تا آب شوند سپس طول میله ها به تدریج کاهش میابد و زمانی که سلیکن سرد و جامد میشود قسمت کوچکی از میله بصورت ذوب شده باقی می ماند. از آنجا که بیشتر ناخالصی ها در قسمت ذوب شده باقی می مانند تا در قسمت جامد وقتی که این فرایند کامل میشود تمام ناخالصی ها به آخر میله روانه میشوند که آخرین قسمتی است که ذوب میشود. قسمت آخر پس از سرد شدن جدا میشود و دور انداخته میشود اگر خلوص بیشتری مد نظر باشد این فرایند مجددا تکرار میشود.
روشهای شیمیایی
امروزه سیلیکن با تبدیل آن به ترکیبات سیلیکن و سپس پالایش آنها خالص میشود چرا که این عمل به مراتب ساده تر از پالایش خود سیلیکن به تنهایی میباشد. بعد از عمل پالایش ترکیب سیلیکن آن ترکیب مجددا به سیلکن خالص تبدیل میشود. تری کلرو سیلان یکی از ترکیبات سلیکن است که به عنوان میانجی برای عمل پالایش استفاده میشود. البته تترا کلرید سلیکن و سیلان نیز استفاده میشوند . هنگامی که این گازها در دمای بالا به سیلکن دمیده میشوند سیلیکن خالص را بوجود می آورد.
در فرآیند Siemens میله های خالص سیلیکن در دمای 1150 درجه سانتیگراد در معرض تری کلروسیلان قرار میگیرد. گاز تریکلروسیلان تجزیه شده و سیلیکن بیشتری را در روی میله ها باقی به وجود میاورد و باعث بزرگتر شدن آنها بر طبق فرمول شیمیایی زیر میشود:
:HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4
سیلیکن به دست آمده از این شیوه و همچنین فرآیندهای مشابه سیلیکن Polycrystalline نامیده میشود. سیلیکن Polycrystalline معمولا دارای ناخالصی یک قسمت در هر یک میلیارد قسمت میباشد.
DuPont یک بار توانست سیلیکن بسیار خالصی را با واکنش دادن تتراکلرید سیلیکن با بخار روی خالص در دمای 950 درجه را بر طبق معادله شیمیایی زیر تولید کند:
:SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2
با این حال این روش از مشکلات عملی رنج میبرد (مانند بوجود آمدن محصول دوم کلرید روی و منجمد شدن آن) و سرانجام با بودن فرایند Siemens به فراموشی سپرده شد.
تبلور
فرایند Czochralski معمولا برای ساخت کریستالهای خالص سیلیکن برای استفاده در Solid State و وسایل نیمه رسانا استفاده میشود.
ایزوتوپها
سیلیکن نه ایزوتوپ با عدد جرمی 25 تا 33 دارد. Si-28 (فراوانترین ایزوتوپ آن 92.23%) Si-29(%4.67) و Si-30(%3.1) پایدار بوده Si-32 ایزوتوپ رادیواکتیوی آن میباشد که از تجزیه آرگون به دست میاید. نیمه عمر آن بعد از مدتها بحث و جدل 276 روز تعیین شد.
هشدارها
یک بیماری ریوی جدی که معمولا با نام silicosisشناخته میشود در معدنچی ها سنگ تراش ها و دیگر افرادی که در معرض استنشاق گرد و غبار Siliceous قرار دارند اتفاق می افتد.
اطلاعات دیگر
از آنجا که سیلیکن یک عنصر مهم در ابزار نیمه رسانا و پیشرفته میباشد . منطقه High Tech در خیابان Silicon کالیفرنیا به این نام نامگذاری شده است.