มีองค์ประกอบมากมายและหลากหลายจนกลายเป็นพื้นฐานของโลกสมัยใหม่ของเรา องค์ประกอบนี้คือซิลิคอน ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดที่เราใช้ในปัจจุบัน
ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีสัญลักษณ์ Si และเลขอะตอม 14 เป็นของแข็งที่เป็นผลึกแข็ง มีความแวววาวของโลหะสีน้ำเงินเทา และเป็นเมทัลลอยด์และเซมิคอนดักเตอร์แบบเตตระวาเลนต์ เป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสองในเปลือกโลก (ประมาณ 28% โดยมวล) รองจากออกซิเจน
ซิลิคอนมีจุดหลอมเหลว 1414 °C และจุดเดือด 3265 °C มันค่อนข้างเฉื่อย ไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือน้ำ เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับฮาโลเจนและทำให้ด่างเจือจาง ซิลิคอนมีอยู่ในรูปแบบ allotropic สองรูปแบบ; ซิลิคอนสีน้ำตาลเป็นผง ในขณะที่ซิลิคอนที่เป็นผลึก (โลหะ) จะเปราะมาก
การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของซิลิคอนคือ \([Ne] 3s^2 3p^2\) โครงสร้างนี้แสดงให้เห็นว่าซิลิคอนสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์สี่พันธะกับอะตอมหรือโมเลกุลอื่นๆ ได้อย่างไร ทำให้มันมีความหลากหลายอย่างไม่น่าเชื่อในการสร้างสารประกอบ
ความสามารถของซิลิคอนในการทำหน้าที่เป็นเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งหมายความว่าสามารถนำไฟฟ้าได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ แต่ไม่ใช่เงื่อนไขอื่น ๆ ทำให้มีความจำเป็นในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ คุณสมบัตินี้ช่วยให้สามารถควบคุมกระแสไฟฟ้า ซึ่งมีความสำคัญในอุปกรณ์ตั้งแต่ไมโครชิปและโซลาร์เซลล์ ไปจนถึงสมาร์ทโฟนและคอมพิวเตอร์
หัวใจสำคัญของบทบาทของซิลิคอนในด้านเทคโนโลยีคือชิปซิลิคอนหรือวงจรรวม อุปกรณ์นี้ทำจากซิลิคอนแผ่นบาง สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้หลายพันตัวถึงหลายล้านตัว ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์
ซิลิคอนไม่ได้พบได้ฟรีในธรรมชาติ แต่มีพันธะอยู่ในแร่ธาตุ เช่น ควอตซ์ เฟลด์สปาร์ ไมกา และดินเหนียว อีกทั้งยังเป็นส่วนประกอบสำคัญของทรายอีกด้วย โดยผ่านกระบวนการขุดและการกลั่น ซิลิคอนบริสุทธิ์จะถูกสกัดเพื่อใช้ในอุตสาหกรรม
ซิลิคอนก็มีความสำคัญในด้านชีววิทยาเช่นกัน แม้ว่าจะไม่เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางก็ตาม สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กจิ๋วบางชนิด เช่น ไดอะตอม ใช้ซิลิคอนเพื่อเสริมสร้างผนังเซลล์ของมัน การใช้ซิลิคอนโดยสิ่งมีชีวิตนี้เป็นตัวอย่างของความอเนกประสงค์ขององค์ประกอบนี้
สารประกอบซิลิกอนที่รู้จักกันดีที่สุดชนิดหนึ่งคือซิลิคอนไดออกไซด์ ( \(SiO_2\) ) หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าควอตซ์ สารประกอบนี้เป็นพื้นฐานของแก้ว เซรามิก และซีเมนต์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ ( \(SiC\) ) สารประกอบอีกชนิดหนึ่ง ถูกใช้เป็นสารขัดถูและสวมในเสื้อเกราะกันกระสุน
ซิลิคอนบริสุทธิ์ได้มาจากรีดิวซ์ซิลิคอนไดออกไซด์กับคาร์บอนในเตาอาร์กไฟฟ้าที่อุณหภูมิมากกว่า 2,000°C สมการของปฏิกิริยานี้คือ:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
กระบวนการนี้ทำให้ได้ซิลิคอนเกรดโลหะ ซึ่งได้รับการกลั่นเพิ่มเติมเพื่อผลิตซิลิกอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์ สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่เรียกว่าการกลั่นแบบโซน ซึ่งสิ่งเจือปนจะถูกกำจัดออกโดยการละลายแท่งซิลิคอนส่วนเล็กๆ และปล่อยให้พวกมันตกผลึกอีกครั้ง
แม้ว่าซิลิคอนเองจะไม่เป็นอันตราย แต่กระบวนการสกัดและกลั่นซิลิคอนอาจมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม การทำเหมืองแร่ทรายควอทซ์ (แหล่งซิลิคอนหลัก) และการผลิตโลหะซิลิคอนและสารประกอบซิลิกอนสามารถนำไปสู่มลพิษทางอากาศและน้ำได้ ความพยายามกำลังดำเนินการในอุตสาหกรรมเพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ผ่านการริเริ่มการรีไซเคิลและการปรับปรุงกระบวนการ
ขณะที่เราขยายขอบเขตของเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง ความต้องการซิลิคอนและสารประกอบของซิลิคอนก็คาดว่าจะเพิ่มขึ้น การวิจัยกำลังดำเนินการอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น รวมถึงการสร้างวัสดุทางเลือกที่อาจเข้ามาแทนที่หรือทำงานเคียงข้างซิลิคอนในสักวันหนึ่ง
การศึกษาอย่างเข้มข้นด้านหนึ่งคือการพัฒนาจุดควอนตัมซิลิคอนซึ่งมีศักยภาพสำหรับใช้ในการคำนวณควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัม ต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปตรงที่ใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อทำการคำนวณที่ซับซ้อนด้วยความเร็วที่ไม่เคยมีมาก่อน
นอกจากนี้ยังมีการวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับการใช้ศักยภาพของซิลิคอนในเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงาน กำลังมีการศึกษาซิลิคอนแอโนดเพื่อใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เนื่องจากมีความจุสูงกว่าแอโนดกราไฟท์แบบเดิมมาก สิ่งนี้สามารถเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และยานพาหนะไฟฟ้าได้อย่างมาก
ซิลิคอนเป็นมากกว่าองค์ประกอบ มันเป็นเสาหลักพื้นฐานของภูมิทัศน์ทางเทคโนโลยีสมัยใหม่ คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานได้ และความอุดมสมบูรณ์ของมันทำให้เป็นวัสดุหลักสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ขณะที่เราสำรวจและปรับปรุงขีดความสามารถของซิลิคอนอย่างต่อเนื่อง ซิลิคอนก็ยังคงเป็นผู้นำในการผลักดันไปสู่อนาคตของเทคโนโลยี
เพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ของซิลิคอน การทดลองหนึ่งที่ดำเนินการโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการวัดค่าการนำไฟฟ้าของซิลิคอนในขณะที่ถูกให้ความร้อน ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุม ตัวอย่างซิลิกอนจะติดอยู่กับวงจรที่มีเซ็นเซอร์อุณหภูมิและมัลติมิเตอร์ เมื่อซิลิคอนถูกให้ความร้อนอย่างช้าๆ ค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นลักษณะของเซมิคอนดักเตอร์ การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าซิลิคอนสามารถนำไฟฟ้าได้มากขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้อย่างไร ซึ่งเป็นหลักการที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ
