Istnieje element tak obfity i wszechstronny, że stał się podstawą naszego współczesnego świata. Tym elementem jest krzem, półprzewodnik znajdujący się w sercu każdego urządzenia elektronicznego, którego dziś używamy.
Krzem to pierwiastek chemiczny o symbolu Si i liczbie atomowej 14. Jest to twarde, krystaliczne ciało stałe o niebiesko-szarym metalicznym połysku, czterowartościowy metaloid i półprzewodnik. Jest to drugi po tlenie pierwiastek występujący w skorupie ziemskiej (około 28% masy).
Krzem ma temperaturę topnienia 1414°C i temperaturę wrzenia 3265°C. Jest stosunkowo obojętny, nie reaguje z tlenem ani wodą. Po podgrzaniu reaguje z halogenami i rozcieńczonymi zasadami. Krzem występuje w dwóch formach alotropowych; krzem brązowy jest proszkiem, natomiast krzem krystaliczny (metaliczny) jest bardzo kruchy.
Konfiguracja elektroniczna krzemu to \([Ne] 3s^2 3p^2\) . Ta konfiguracja ilustruje, jak krzem może tworzyć cztery wiązania kowalencyjne z innymi atomami lub cząsteczkami, co czyni go niezwykle wszechstronnym w tworzeniu związków.
Zdolność krzemu do działania jako półprzewodnik, co oznacza, że może przewodzić prąd w pewnych warunkach, ale nie w innych, sprawia, że jest on niezbędny w produkcji urządzeń elektronicznych. Ta właściwość pozwala na kontrolę prądu elektrycznego, co ma kluczowe znaczenie w urządzeniach, od mikrochipów i ogniw słonecznych po smartfony i komputery.
Sercem roli krzemu w technologii jest chip krzemowy, czyli układ scalony. To urządzenie wykonane z cienkiego kawałka krzemu może pomieścić od tysięcy do milionów tranzystorów. Tranzystory, pełniąc funkcję przełączników, kontrolują przepływ prądu elektrycznego w urządzeniach.
Krzem nie występuje w naturze w postaci wolnej, ale jest związany z minerałami, takimi jak kwarc, skaleń, mika i glina. Jest także istotnym składnikiem piasku. W procesie wydobycia i rafinacji czysty krzem jest wydobywany do celów przemysłowych.
Krzem ma również kluczowe znaczenie w biologii, chociaż nie jest tak powszechnie znany. Niektóre mikroskopijne organizmy, takie jak okrzemki, wykorzystują krzem do wzmacniania ścian komórkowych. To wykorzystanie krzemu przez organizmy żywe jest przykładem wszechstronności tego pierwiastka.
Jednym z najbardziej znanych związków krzemu jest dwutlenek krzemu ( \(SiO_2\) ), powszechnie znany jako kwarc. Związek ten stanowi podstawę szkła, ceramiki i cementu. Węglik krzemu ( \(SiC\) ), inny związek, jest stosowany jako materiał ścierny oraz w kamizelkach kuloodpornych.
Czysty krzem otrzymuje się poprzez redukcję dwutlenku krzemu węglem w elektrycznym piecu łukowym w temperaturach powyżej 2000°C. Równanie tej reakcji to:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
W procesie tym otrzymuje się krzem o jakości metalurgicznej, który jest poddawany dalszej rafinacji w celu wytworzenia krzemu o jakości półprzewodnikowej. Obejmuje to proces znany jako rafinacja strefowa, podczas którego zanieczyszczenia są usuwane poprzez stopienie małych fragmentów wlewka krzemu i umożliwienie im rekrystalizacji.
Chociaż krzem sam w sobie nie jest szkodliwy, proces jego wydobywania i rafinacji może mieć wpływ na środowisko. Wydobywanie piasku kwarcowego (głównego źródła krzemu) oraz produkcja krzemometalu i związków krzemu może prowadzić do zanieczyszczenia powietrza i wody. W branży podejmowane są wysiłki mające na celu zmniejszenie tego wpływu poprzez inicjatywy związane z recyklingiem i doskonaleniem procesów.
W miarę ciągłego przesuwania granic technologii oczekuje się, że zapotrzebowanie na krzem i jego związki będzie rosło. Trwają badania nad stworzeniem jeszcze bardziej wydajnych półprzewodników na bazie krzemu, a także nad alternatywnymi materiałami, które pewnego dnia mogą zastąpić krzem lub działać obok niego.
Jednym z obszarów intensywnych badań jest rozwój krzemowych kropek kwantowych, które mogą znaleźć zastosowanie w obliczeniach kwantowych. Komputery kwantowe, w przeciwieństwie do komputerów tradycyjnych, wykorzystują zasady mechaniki kwantowej do wykonywania skomplikowanych obliczeń z niespotykaną dotąd szybkością.
Trwają także badania nad potencjalnym wykorzystaniem krzemu w technologiach magazynowania energii. Anody krzemowe są badane pod kątem zastosowania w akumulatorach litowo-jonowych, ponieważ mają znacznie większą pojemność niż tradycyjne anody grafitowe. Może to znacząco wydłużyć żywotność baterii urządzeń elektronicznych i pojazdów elektrycznych.
Krzem to coś więcej niż tylko pierwiastek; jest to podstawowy filar współczesnego krajobrazu technologicznego. Jego unikalne właściwości umożliwiają pracę urządzeń elektronicznych, a jego obfitość czyni go kluczowym materiałem o szerokim spektrum zastosowań. Kontynuując badanie i udoskonalanie możliwości krzemu, pozostaje on liderem naszych wysiłków w kierunku przyszłości technologii.
Aby zrozumieć właściwości półprzewodników krzemu, powszechnie przeprowadza się eksperyment polegający na pomiarze przewodności krzemu podczas jego ogrzewania. W kontrolowanym środowisku próbkę krzemu podłącza się do obwodu z czujnikiem temperatury i multimetrem. W miarę stopniowego podgrzewania krzemu jego przewodność wzrasta, co świadczy o jego półprzewodnikowym charakterze. Ten eksperyment ilustruje, jak krzem może przewodzić więcej prądu w wyższych temperaturach. Zasada ta jest wykorzystywana w różnych urządzeniach elektronicznych.
