Существует элемент, настолько распространенный и универсальный, что он стал фундаментальным для нашего современного мира. Этот элемент — кремний, полупроводник, который лежит в основе каждого электронного устройства, которое мы используем сегодня.
Кремний — это химический элемент с символом Si и атомным номером 14. Это твердое кристаллическое твердое вещество с сине-серым металлическим блеском, четырехвалентный металлоид и полупроводник. Это второй по распространенности элемент в земной коре (около 28% по массе) после кислорода.
Кремний имеет температуру плавления 1414 °С и температуру кипения 3265 °С. Он относительно инертен, не реагирует с кислородом или водой. При нагревании реагирует с галогенами и разбавленными щелочами. Кремний существует в двух аллотропных формах; коричневый кремний представляет собой порошок, тогда как кристаллический (металлический) кремний очень хрупок.
Электронная конфигурация кремния \([Ne] 3s^2 3p^2\) . Эта конфигурация иллюстрирует, как кремний может образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами или молекулами, что делает его невероятно универсальным при образовании соединений.
Способность кремния действовать как полупроводник, то есть при одних условиях он может проводить электричество, а при других — нет, делает его незаменимым при производстве электронных устройств. Это свойство позволяет контролировать электрические токи, что имеет решающее значение в устройствах, от микрочипов и солнечных батарей до смартфонов и компьютеров.
В основе роли кремния в технологии лежит кремниевый чип или интегральная схема. Это устройство, сделанное из тонкого куска кремния, может содержать от тысяч до миллионов транзисторов. Транзисторы, действуя как переключатели, контролируют поток электрического тока в устройствах.
Кремний не встречается в природе в свободном виде, а связан в таких минералах, как кварц, полевой шпат, слюда и глина. Это также важный компонент песка. В процессе добычи и переработки чистый кремний извлекается для промышленного использования.
Кремний также имеет решающее значение в биологии, хотя и не так широко известен. Некоторые микроскопические организмы, такие как диатомовые водоросли, используют кремний для укрепления своих клеточных стенок. Такое использование кремния живыми организмами является примером того, насколько универсален этот элемент.
Одним из наиболее известных соединений кремния является диоксид кремния ( \(SiO_2\) ), широко известный как кварц. Это соединение составляет основу стекла, керамики и цемента. Карбид кремния ( \(SiC\) ), другое соединение, используется в качестве абразива и в бронежилетах.
Чистый кремний получают восстановлением диоксида кремния углеродом в электродуговой печи при температуре свыше 2000°С. Уравнение этой реакции:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
В результате этого процесса получается кремний металлургического качества, который далее очищается для получения кремния полупроводникового качества. Это включает в себя процесс, известный как зонное рафинирование, при котором примеси удаляются путем плавления небольших участков кремниевого слитка и их рекристаллизации.
Хотя кремний сам по себе не является вредным, процесс добычи и переработки кремния может оказывать воздействие на окружающую среду. Добыча кварцевого песка (основной источник кремния) и производство металлического кремния и соединений кремния могут привести к загрязнению воздуха и воды. В отрасли предпринимаются усилия по снижению этого воздействия за счет инициатив по переработке и совершенствованию процессов.
Поскольку мы продолжаем расширять границы технологий, ожидается, что спрос на кремний и его соединения будет расти. Продолжаются исследования по созданию еще более эффективных полупроводников на основе кремния, а также альтернативных материалов, которые однажды могут заменить кремний или работать вместе с ним.
Одной из областей интенсивных исследований является разработка кремниевых квантовых точек, которые потенциально могут быть использованы в квантовых вычислениях. Квантовые компьютеры, в отличие от традиционных компьютеров, используют принципы квантовой механики для выполнения сложных вычислений с беспрецедентной скоростью.
Также продолжаются исследования потенциального использования кремния в технологиях хранения энергии. Кремниевые аноды изучаются для использования в литий-ионных батареях, поскольку они имеют гораздо большую емкость, чем традиционные графитовые аноды. Это могло бы значительно увеличить срок службы аккумуляторов электронных устройств и электромобилей.
Кремний — это больше, чем просто элемент; это основополагающий фундамент современного технологического ландшафта. Его уникальные свойства позволяют работать с электронными устройствами, а его изобилие делает его ключевым материалом для широкого спектра применений. Поскольку мы продолжаем исследовать и совершенствовать возможности кремния, он остается в авангарде нашего продвижения в будущее технологий.
Чтобы понять полупроводниковые свойства кремния, обычно проводят эксперименты, включающие измерение проводимости кремния при его нагревании. В контролируемой среде образец кремния присоединяется к цепи с датчиком температуры и мультиметром. По мере постепенного нагревания кремния его проводимость увеличивается, что свидетельствует о его полупроводниковой природе. Этот эксперимент показывает, как кремний может проводить больше электричества при более высоких температурах — принцип, который используется в различных электронных устройствах.
