عنصری وجود دارد که آنقدر فراوان و همه کاره است که برای دنیای مدرن ما اساسی شده است. این عنصر سیلیکون است، نیمه هادی که در قلب هر وسیله الکترونیکی که امروزه استفاده می کنیم قرار دارد.
سیلیکون یک عنصر شیمیایی با نماد Si و عدد اتمی 14 است. این یک جامد کریستالی سخت با درخشندگی فلزی خاکستری آبی است و یک فلز و نیمه هادی چهار ظرفیتی است. این عنصر دومین عنصر فراوان در پوسته زمین (حدود 28 درصد جرم) پس از اکسیژن است.
نقطه ذوب سیلیکون 1414 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 3265 درجه سانتیگراد است. نسبتاً بی اثر است و با اکسیژن یا آب واکنش نشان نمی دهد. هنگامی که گرم می شود با هالوژن ها و قلیاهای رقیق واکنش نشان می دهد. سیلیکون به دو شکل آلوتروپیک وجود دارد. سیلیکون قهوه ای پودر است، در حالی که سیلیکون کریستالی (فلزی) بسیار شکننده است.
پیکربندی الکترونیکی سیلیکون \([Ne] 3s^2 3p^2\) است. این پیکربندی نشان می‌دهد که چگونه سیلیکون می‌تواند چهار پیوند کووالانسی با اتم‌ها یا مولکول‌های دیگر ایجاد کند، که آن را در تشکیل ترکیبات بسیار متنوع می‌کند.
توانایی سیلیکون برای عمل به عنوان یک نیمه هادی، به این معنی که می تواند الکتریسیته را در برخی شرایط هدایت کند اما در شرایط دیگر نه، آن را در ساخت دستگاه های الکترونیکی ضروری می کند. این ویژگی امکان کنترل جریان های الکتریکی را فراهم می کند که در دستگاه ها از ریزتراشه ها و سلول های خورشیدی گرفته تا گوشی های هوشمند و رایانه ها بسیار مهم است.
در قلب نقش سیلیکون در فناوری، تراشه سیلیکونی یا مدار مجتمع قرار دارد. این دستگاه که از یک تکه نازک سیلیکون ساخته شده است، می تواند هزاران تا میلیون ها ترانزیستور را در خود جای دهد. ترانزیستورها که به عنوان سوئیچ عمل می کنند، جریان الکتریکی را در دستگاه ها کنترل می کنند.
سیلیکون در طبیعت به صورت رایگان یافت نمی شود، اما در مواد معدنی مانند کوارتز، فلدسپات، میکا و خاک رس محدود شده است. همچنین جزء مهمی از شن و ماسه است. از طریق فرآیند استخراج و پالایش، سیلیکون خالص برای مصارف صنعتی استخراج می شود.
سیلیکون همچنین در زیست شناسی بسیار مهم است، اگرچه نه آنقدر که به طور گسترده شناخته شده است. برخی از موجودات میکروسکوپی مانند دیاتوم ها از سیلیکون برای تقویت دیواره سلولی خود استفاده می کنند. این استفاده از سیلیکون توسط موجودات زنده نمونه ای از همه کاره بودن این عنصر است.
یکی از شناخته شده ترین ترکیبات سیلیکون دی اکسید سیلیکون ( \(SiO_2\) ) است که معمولاً به عنوان کوارتز شناخته می شود. این ترکیب اساس شیشه، سرامیک و سیمان را تشکیل می دهد. کاربید سیلیکون ( \(SiC\) )، ترکیب دیگر، به عنوان یک ساینده و در جلیقه های ضد گلوله استفاده می شود.
سیلیکون خالص از احیای دی اکسید سیلیکون با کربن در کوره قوس الکتریکی در دمای بیش از 2000 درجه سانتی گراد به دست می آید. معادله این واکنش:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
این فرآیند سیلیکون درجه متالورژی تولید می کند که برای تولید سیلیکون درجه نیمه هادی بیشتر تصفیه می شود. این شامل فرآیندی به نام پالایش منطقه است که در آن ناخالصی‌ها با ذوب بخش‌های کوچک شمش سیلیکون حذف می‌شوند و به آنها اجازه می‌دهد تا دوباره کریستال شوند.
در حالی که سیلیکون خود مضر نیست، فرآیند استخراج و تصفیه سیلیکون می تواند اثرات زیست محیطی داشته باشد. استخراج شن کوارتز (منبع اولیه سیلیکون) و تولید فلز سیلیکون و ترکیبات سیلیکونی می تواند منجر به آلودگی هوا و آب شود. تلاش‌هایی در صنعت برای کاهش این اثرات از طریق بازیافت و ابتکارات بهبود فرآیند در حال انجام است.
همانطور که ما همچنان مرزهای فناوری را در پیش می گیریم، انتظار می رود تقاضا برای سیلیکون و ترکیبات آن افزایش یابد. تحقیقات برای ایجاد نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون حتی کارآمدتر و همچنین مواد جایگزینی که ممکن است روزی جایگزین سیلیکون شوند یا در کنار آن کار کنند ادامه دارد.
یکی از زمینه‌های مطالعه شدید، توسعه نقاط کوانتومی سیلیکونی است که پتانسیل استفاده در محاسبات کوانتومی را دارد. کامپیوترهای کوانتومی، بر خلاف کامپیوترهای سنتی، از اصول مکانیک کوانتومی برای انجام محاسبات پیچیده با سرعتی بی سابقه استفاده می کنند.
همچنین تحقیقات مداومی در مورد استفاده بالقوه سیلیکون در فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی وجود دارد. آندهای سیلیکونی برای استفاده در باتری های لیتیوم یونی مورد مطالعه قرار می گیرند زیرا ظرفیت بسیار بالاتری نسبت به آندهای گرافیت سنتی دارند. این می تواند به طور قابل توجهی عمر باتری دستگاه های الکترونیکی و وسایل نقلیه الکتریکی را افزایش دهد.
سیلیکون چیزی بیش از یک عنصر است. این یک ستون اساسی از چشم انداز فن آوری مدرن است. خواص منحصر به فرد آن امکان عملکرد دستگاه های الکترونیکی را فراهم می کند و فراوانی آن آن را به یک ماده کلیدی برای طیف گسترده ای از کاربردها تبدیل می کند. همانطور که ما به کاوش و اصلاح قابلیت‌های سیلیکون ادامه می‌دهیم، این سیلیکون در خط مقدم حرکت ما به سمت آینده فناوری باقی می‌ماند.
برای درک خواص نیمه هادی سیلیکون، یک آزمایش معمولی که انجام می شود شامل اندازه گیری رسانایی سیلیکون در هنگام گرم شدن است. در یک محیط کنترل شده، یک نمونه سیلیکونی با یک سنسور دما و یک مولتی متر به مدار متصل می شود. همانطور که سیلیکون به تدریج گرم می شود، رسانایی آن افزایش می یابد و ماهیت نیمه هادی آن را نشان می دهد. این آزمایش نشان می‌دهد که چگونه سیلیکون می‌تواند الکتریسیته بیشتری را در دماهای بالاتر هدایت کند، اصلی که در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
