Існує елемент, настільки багатий і різноманітний, що він став фундаментальним для нашого сучасного світу. Цей елемент — кремній, напівпровідник, який лежить в основі кожного електронного пристрою, який ми використовуємо сьогодні.
Силіцій — це хімічний елемент із символом Si та атомним номером 14. Це тверда кристалічна речовина з синьо-сірим металевим блиском, чотиривалентний металоїд і напівпровідник. Це другий за поширеністю елемент у земній корі (близько 28% за масою) після кисню.
Кремній має температуру плавлення 1414 °C і температуру кипіння 3265 °C. Він відносно інертний, не реагує ні з киснем, ні з водою. При нагріванні реагує з галогенами і розбавленими лугами. Силіцій існує в двох алотропних формах; коричневий кремній є порошком, тоді як кристалічний (металічний) кремній дуже крихкий.
Електронна конфігурація кремнію \([Ne] 3s^2 3p^2\) . Ця конфігурація ілюструє, як кремній може утворювати чотири ковалентні зв’язки з іншими атомами або молекулами, що робить його неймовірно універсальним для утворення сполук.
Здатність кремнію діяти як напівпровідник, тобто він може проводити електрику за одних умов, але не за інших, робить його важливим у виробництві електронних пристроїв. Ця властивість дозволяє контролювати електричні струми, що є критичним у пристроях від мікрочіпів і сонячних батарей до смартфонів і комп’ютерів.
В основі ролі кремнію в технології лежить кремнієвий чіп, або інтегральна схема. Цей пристрій, виготовлений із тонкого шматка кремнію, може містити від тисяч до мільйонів транзисторів. Транзистори, діючи як перемикачі, керують проходженням електричного струму в пристроях.
Кремній у природі не зустрічається у вільному вигляді, а в таких мінералах, як кварц, польовий шпат, слюда та глина. Це також важливий компонент піску. У процесі видобутку та очищення чистий кремній видобувається для промислового використання.
Кремній також має вирішальне значення в біології, хоча й не настільки широко відомий. Деякі мікроскопічні організми, такі як діатомові водорості, використовують кремній для зміцнення своїх клітинних стінок. Використання кремнію живими організмами є прикладом того, наскільки універсальним є цей елемент.
Однією з найвідоміших сполук кремнію є діоксид кремнію ( \(SiO_2\) ), широко відомий як кварц. Ця сполука є основою скла, кераміки, цементу. Карбід кремнію ( \(SiC\) ), інша сполука, використовується як абразив і в бронежилетах.
Чистий кремній отримують відновленням діоксиду кремнію вуглецем в електродуговій печі при температурі понад 2000°С. Рівняння для цієї реакції:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
Цей процес дає металургійний кремній, який далі очищається для виробництва напівпровідникового кремнію. Це включає процес, відомий як зонне рафінування, коли домішки видаляються шляхом плавлення невеликих ділянок зливка кремнію та надання їм можливості рекристалізуватися.
Хоча кремній сам по собі нешкідливий, процес видобутку та очищення кремнію може мати вплив на навколишнє середовище. Видобуток кварцового піску (основне джерело кремнію) і виробництво металевого кремнію та сполук кремнію можуть призвести до забруднення повітря та води. У промисловості вживаються зусилля, щоб зменшити цей вплив за допомогою ініціатив з переробки та вдосконалення процесу.
Оскільки ми продовжуємо розширювати межі технологій, очікується, що попит на кремній та його сполуки зростатиме. Тривають дослідження щодо створення ще ефективніших напівпровідників на основі кремнію, а також альтернативних матеріалів, які одного разу можуть витіснити або працювати разом із кремнієм.
Однією з областей інтенсивних досліджень є розробка кремнієвих квантових точок, які мають потенціал для використання в квантових обчисленнях. Квантові комп’ютери, на відміну від традиційних, використовують принципи квантової механіки для виконання складних обчислень із безпрецедентною швидкістю.
Також тривають дослідження потенційного використання кремнію в технологіях зберігання енергії. Кремнієві аноди вивчаються для використання в літій-іонних батареях, оскільки вони мають набагато більшу ємність, ніж традиційні графітові аноди. Це може значно збільшити термін служби батареї електронних пристроїв і електромобілів.
Кремній - це більше, ніж просто елемент; це фундаментальний стовп сучасного технологічного ландшафту. Його унікальні властивості забезпечують роботу електронних пристроїв, а велика кількість робить його ключовим матеріалом для широкого спектру застосувань. Оскільки ми продовжуємо досліджувати та вдосконалювати можливості кремнію, він залишається в авангарді нашого просування в майбутнє технологій.
Щоб зрозуміти напівпровідникові властивості кремнію, один з поширених експериментів передбачає вимірювання електропровідності кремнію під час його нагрівання. У контрольованому середовищі зразок кремнію приєднується до схеми з датчиком температури та мультиметром. Оскільки кремній поступово нагрівається, його провідність зростає, демонструючи його напівпровідникову природу. Цей експеримент ілюструє, як кремній може проводити більше електрики за вищих температур, принцип, який використовується в різних електронних пристроях.
