硅在现实生活中的应用研究

＊汪杨峻杰

（成都七中实验学校 四川 611130）

硅在现实生活中的应用研究

＊汪杨峻杰

（成都七中实验学校 四川 611130）

硅的原子结构呈四面体结构，原子相互之间以共价键结合，最外层的4个价电子让其处于亚稳定结构，在掺入其他价态的原子时，容易形成空位和多余的电子，使得硅在半导体材料领域有极广泛的应用。硅是一种性质很不活泼的元素，在大自然中以化合态的形式存在，主要以硅酸盐类和石英为主，经过特殊工艺改造，由硅元素参与构成的物质在不同的生产领域发挥着不同的作用。文章将针对代表性的领域进行分析说明，并对未来的发展趋势做出展望。

硅；硅酸盐；石英；应用

引言

硅是自然界极为常见的一种元素，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，长石、云母、黏土等都是硅酸盐类物质，水晶、玛瑙、石英、砂子等都是二氧化硅类石头。硅是一种非常不活泼的元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐类或二氧化硅存在。硅与我们的生活息息相关，如电子通讯的石英光钎、集成电路芯片所用的衬底硅片、建筑领域的水泥、吃饭所用食器、生物医学所用玻璃器皿等等，都与硅酸盐物质或者二氧化硅有关。对硅的性质进行分析总结，介绍不同的领域不同功能硅的应用现状，并对未来的发展方向作出展望。

1.硅的性质

(1)物理性质

硅的化学符号是Si，是地壳中含量第二多的元素，约占总质量的26．4%，仅次于氧元素的49．4%，它是一种非金属元素，位于周期表第三周期ⅣA族，原子序数为14，相对原子质量约为28。硅的单质有无定形硅和晶体硅两种，其中晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2．32-2．34g/cm3，熔点1410℃，沸点2355℃，不溶于水，外表坚硬而有金属光泽。

(2)化学性质

在常温下硅不活泼，很少与其他化学物质发生反应，却大都以化合物的形式存在，多是硅酸盐类、二氧化硅等，这主要由于地球在板壳运动时，会产生高温高压的环境，硅元素表现出较活泼的性质，生成大量的硅化合物，因此地壳中的硅也是以化合物的形式存在，很少以单质的形式出现。

硅原子最外层电子为4个，全充满状态为8个，由洪特规则知，当电子层处于半充满状态时，原子处于亚稳定状态，这些电子与其他原子的电子容易形成稳定的共价键。由于共价键断裂时需要的能量较高，表现出较稳定的化学性质，因此硅单质具有较高的熔点。硅在常温下只能与周期表第七主族的氟气（F2）发生反应，在加热或者高温的情况下与氯气、碘等发生反应。硅会在含氧酸中被钝化，只与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4和氢气。

2.硅的应用

(1)半导体材料

所谓半导体，是指导电性可人为控制，且导电性介于导体和绝缘体之间的物质，硅是最常见的半导体材料，常用于太阳能发电、集成电路等。

①太阳能材料

硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料，利用高纯度（含量99%以上）单质硅的半导体性能，可以制成光电池，将太阳能转换为电能，如图1所示。P型半导体是在纯硅晶体中掺入一定的3价元素（硼、铝、镓）的半导体，因为在纯净的硅晶体中掺入三价元素取代晶格中硅原子的位置，由于外层只提供三个电子，所以与硅原子组成共价键时，就形成了一个空穴。N型半导体是在纯硅晶体中掺入一定的5价元素（磷、砷、锑）的半导体，同上，在纯净的硅晶体中掺入五价元素，外层提供了5个电子，与硅原子组成共价键时，多出的一个电子受原子核束缚很小，很容易成为自由电子。因此P区有大量的空穴，N区有大量的自由电子，外部导通后外部电流是P区到N区。

②集成电路

集成电路是采用一定的工艺，把一个电路中所需的二极管、电阻、电容等元件连接在一起的，制作在一小块或几小块半导体晶体上，成为具有电路功能的微型结构。其中半导体晶片就是硅，集成电路所用的衬底材料多为硅的单晶体。

图1 半导体材料太阳能发电原理

(2)通讯光钎

光钎是指光导纤维，一般由玻璃或者塑料拉制而成。由于二氧化硅折射率大，易发生全反射，传输的时候信号损失小，因此石英光钎在通讯领域被广泛的使用。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话；外界电磁辐射的影响小，可以在马达附近、核实验现场等恶劣环境工作，而且强度高，耐大气侵蚀好；不怕窃听，具有高度的保密性。

(3)建筑水泥

水泥是一种常用的建筑材料，它一般是以黏土和石灰石为原料，经研磨、混合后在水泥回转窖中煅烧，再加入适量的石膏（主要成分是硫酸钙），研磨成的细粉。水泥有很多种分类，硅酸盐水泥是以硅酸钙为主，具有强度高、抗冻性好、耐磨性较好、耐腐蚀性差但不耐高温的特性。硅酸钙由碳酸钙和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成，其化学方程式如（1）。

(4)陶瓷

陶瓷是用黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O）、石英和长石（K2O·Al2O3·6SiO2）等为主要原料，按照一定的生产加工工艺制作而成，从化学式可以看出这几种原料都含有硅元素。陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性差。除了在食器、装饰上的使用，具有特殊功能的陶瓷在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。如高温结构陶瓷，具有耐高温、耐氧化、耐腐蚀等优点，经常用在洲际导弹的端头、火箭发动机的尾管和燃烧室等；绝缘陶瓷用于电气电路或者电子电路中，将导体物理隔离，防止电流在导体之间流动而破坏电路的正常运行。除了上述功能的陶瓷，还有磁性陶瓷、超导陶瓷、生物陶瓷等，在不同的领域都有所应用。

(5)玻璃

玻璃又称为硅酸盐类非金属材料，普通玻璃是以纯碱（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）和石英（SiO2）为原料，经混合、粉碎，在玻璃窖中发生复杂的物理、化学变化熔融制得，它是一种无规则结构的非晶态固体。广泛应用于建筑物，用来隔风、透光。通过改变成分或生产工艺，可以制得具有不同用途的玻璃，当二氧化硅的含量高达99．99%时，可以制作成高纯度二氧化硅玻璃，这种玻璃耐高温，耐腐蚀、绝缘性能佳，机械性能等都优于普通玻璃。此外，通过物理或者化学方式对玻璃进行预压力处理制作而成的钢化玻璃，耐冲击，抗弯压能力增强。

(6)其他

有机硅是将硅优良的无机性能与有机材料性能相结合，组成一种新的化合物，兼备了无机材料与有机材料的性能，在医药、精细电子领域有一番作为。硅类的合金是指硅与其他金属制成的合金，以此来提升其金属性能，常见的合金主要包括：硅铝合金、硅铜合金、硅铁合金、硅锰合金等，可以提升原金属的表现性能；如硅铜合金用于细化晶粒，提高导电性。硅在提高植物抵御逆境、调节植物与其他生物之间相互关系也有作用，如硅可以提高植物茎秆的硬度，提升植物对干旱、紫外辐射以及病虫害等的抗性。

3.小结

综上所述，硅特殊的原子结构决定了硅可控的导电性，由于硅是地壳上最丰富的半导体元素，随着制备工艺技术的日益成熟，在半导体元件方面具有相当大的优势。未来硅在半导体领域的研究还会继续深入，智能时代的到来意味着集成电路芯片的需求越来越大，提高集成电路成品率，增大单晶硅的直径是发展趋势。

除了单晶硅作为半导体材料，硅酸盐类和二氧化硅作为光钎、建筑材料、陶瓷、玻璃等的生产原料，也有一定的市场前景，主要表现在各领域内的研究，高纯度石英光钎结构的分析；功能陶瓷的开发；安全玻璃、节能玻璃、光电玻璃的研制；特种水泥的生产等等。

[1]李怀辉,王小平,王丽军等.硅半导体太阳能电池进展[J].材料导报,2011,25(19):49-53.

[2]化学课程教材研究开发中心.化学1[M].北京：人民教育出版社,2009:74-79.

[3]白洪强.我国硅材料产业发展现状、发展趋势及政策建议[J].现代化工,2012,32(1):4-8.

汪杨峻杰（1998～），男，成都七中实验学校，研究方向：化学教育。

((责任编：李田田)

Study of the Application of Silicon in Real Life

Wang Yang Junjie

（Chengdu No.7 Experimental School, Sichuan, 611130）

The atomic structure of silicon presents in tetrahedron structure, and the atoms combine with each other in covalent bond, besides, the four valence electrons of outermost layer are in the metastable structure, when it is mixed with other valence state of atoms, it is easy to form vacancy and excess electrons, which makes the silicon get an extensive application in the field of semiconductor materials. Silicon is a kind of element with not very active nature and it exists in the form of combining state in nature and the main types are silicate type and quartz. After the modification of special process, the substances made up with silicon elements play the different roles in different production fields. Take analysis and introduction of the typical field and make prospect for the future development trend.

silicon；silicate；quartz；application

T

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