Silikon

Silikon, ₁₄Si

Silikon
Telaffuz	/ˈsɪlᵻkən/ (SIL-ə-kən) /ˈsɪləkɒn/ (SIL-ə-kahn)
Görünüm	kristalimsi, mavimsi renkli yüzlerle yansıtıcı
Standart atom ağırlığı Ar, std(Si)	[7001280840000000000♠28.084, 7001280860000000000♠28.086] Konvansiyonel: 7001280850000000000♠28.085
Periyodik tablodaki Silikon
C ↑ Si ↓ Ge alüminyum ← silikon → fosfor
Atom numarası (Z)	14
Grup	14. grup (karbon grup)
Period	periyot 3
Blok	p-blok
Element kategorisi	Metalloid
Elektron konfigürasyonu	[Ne] 3s2 3p2
Kabuk başına elektron	2, 8, 4
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	1687 K ​(1414 °C, ​2577 °F)
Kaynama noktası	3538 K ​(3265 °C, ​5909 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	2.3290 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	2.57 g/cm3
Isı entalpisi	50.21 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	383 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	19.789 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1908 2102 2339 2636 3021 3537
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	−4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4 (bir amfoterik oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.90
İyonlaşma enerjisi	1.: 786.5 kJ/mol 2.: 1577.1 kJ/mol 3.: 3231.6 kJ/mol (daha fazlası)
Atom yarıçapı	deneysel: 111 pm
Kovalent yarıçapı	111 pm
Van der Waals yarıçapı	210 pm
silikon spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​yüz merkezli elmas kübik
Sesin hızı kalay çubuk	8433 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	2.6 µm/(m·K) (25 °C)
Termal iletkenlik	149 W/(m·K)
Elektriksel direnç	2.3×103 Ω·m (20 °C)
Bant aralığı	1.12 eV (at 300 K)
Manyetik sıralama	diyamanyetik
Manyetik alınganlık	−3.9·10−6 cm3/mol (298 K)
Young modülü	130–188 GPa
Kayma modülü	51–80 GPa
Bulk modülü	97.6 GPa
Poisson oranı	0.064–0.28
Mohs sertliği	6.5
CAS Numarası	7440-21-3
Tarihçe
Adlandırma	Latince 'silex' veya 'silicis'ten sonra, flint
Tahmini	Antoine Lavoisier (1787)
Keşfeden ve ilk izolasyon	Jöns Jacob Berzelius (1823)
Adlandıran	Thomas Thomson (1817)
silikon ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 28Si 92.2% kararlı 29Si 4.7% kararlı 30Si 3.1% kararlı 31Si iz 2.62 h β− 31P 32Si trace 153 y β− 32P

Silikon veya Silisyum, sembolü Si ve atom numarası 14 olan kimyasal bir elementtir. Mavi-gri metalik bir parlaklığa sahip sert, kırılgan kristal bir katıdır ve dört değerlikli bir metaloid ve yarı iletkendir. Periyodik tabloda grup 14'ün bir üyesidir: karbonnun üstünde; ve germanyum, kalay ve kurşun altında yer alır. Nispeten tepkisizdir. Oksijene karşı yüksek kimyasal afinitesi nedeniyle, 1823'e kadar Jöns Jakob Berzelius ilk önce onu hazırlayıp saf formda karakterize edemedi. Sırasıyla 1414 °C ve 3265 °C'lik erime ve kaynama noktaları, tüm metaloidler ve ametaller arasında en yüksek ikinci olup, yalnızca bor tarafından aşılır. Silikon, evrende kütle olarak en yaygın sekizinci elementtir, ancak çok nadiren Dünya'nın kabuğundaki saf element olarak ortaya çıkar. En yaygın olarak tozlar, kumlar, gezegenler ve gezegenlerde çeşitli silikon dioksit (silika) veya silikat formları olarak dağıtılır. Dünya kabuğunun %90'ından fazlası silikat minerallerinden oluşur, bu da silikonu oksijenden sonra Dünya kabuğunda (kütlece yaklaşık %28) ikinci en bol element haline getirir.

Çoğu silikon ticari olarak ayrılmadan ve genellikle doğal minerallerin çok az işlenmesiyle kullanılır. Bu kullanım, killer, silis kumu ve taş ile endüstriyel inşaatı içerir. Silikatlar harç ve sıva için Portland çimentosunda kullanılır ve yürüyüş yolları, temeller ve yollar için beton yapmak için silika kumu ve çakıl ile karıştırılır. Porselen gibi beyaz eşya seramiklerinde ve geleneksel kuvars bazlı soda-kireç camında ve diğer birçok özel camda da kullanılırlar. Silikon karbid gibi silikon bileşikleri, yüksek mukavemetli seramiklerin aşındırıcıları ve bileşenleri olarak kullanılır. Silikon, silikon adı verilen yaygın olarak kullanılan sentetik polimerlerin temelidir.

Modern dünya ekonomisi üzerinde büyük bir etkiye sahip olan temel silikon nedeniyle, 20. yüzyılın sonundan 21. yüzyılın başına kadar Silikon Yaşı (Dijital Çağ veya Bilgi Çağı olarak da bilinir) olarak tanımlanmıştır. Yarı iletken elektroniklerde kullanılan çok yüksek derecede saflaştırılmış elementel silikonun (<% 10) nispeten küçük kısmı, çoğu modern teknolojide (bilgisayarlar ve cep telefonları gibi) kullanılan metal-oksit-silikon (MOS) transistörler ve entegre devre yongaları için gereklidir. En yaygın kullanılan silikon cihaz, tarihteki diğer cihazlardan daha fazla sayıda üretilen MOSFET'tir (metal-oksit-silikon alan etkili transistör). Serbest silikon ayrıca çelik arıtma, alüminyum döküm ve ince kimyasal endüstrilerinde (genellikle füme silika yapmak için) kullanılır.

Silikon, biyolojide önemli bir elementtir, ancak hayvanlar tarafından sadece eser halde gereklidir. Bununla birlikte, diyatomlar ve radyolarya gibi çeşitli deniz süngerleri ve mikroorganizmalar, silikadan yapılmış iskelet yapıları salgılar. Silika birçok bitki dokusunda birikir.

Tarihçe

Dünya'nın kabuğundaki silikon bolluğu nedeniyle, binlerce yıldır doğal silikon bazlı malzemeler kullanılmıştır. Silikon kaya kristalleri, boncukları ve küçük vazoları ve antik Çinliler için kullanan predinastik Mısırlılar gibi çeşitli eski uygarlıklara aşinaydı. Silika içeren camlar, en az MÖ 1500'den beri Mısırlılar ve eski Fenikeliler tarafından üretilmiştir. Doğal silikat bileşikleri, erken insan konutlarının inşası için çeşitli harç tiplerinde de kullanılmıştır.

Keşif

1787'de Antoine Lavoisier, silisin temel bir kimyasal elementin oksidi olabileceğinden şüpheleniyordu, ancak silikonun oksijen için kimyasal afinitesi, oksidi azaltmak ve elementi izole etmek için hiçbir aracı bulunmayacak kadar yüksekti. 1808'de silikonu izole etme girişiminden sonra, Sir Humphry Davy silikon için "silisyum", Latince silex, çakmaktaşı için silisis adını ve metal olduğuna inandığı için "-yum" sonunu ekledi. Diğer birçok dilde Davy'nin adlandırdığı adının, bazen yerel fonolojiye (örneğin, Almanca Silizium, Türkçe silisyum) uyarlanmış, tercüme edilmiş formları kullanılır. Diğer Birkacı bunun yerine Latince kökü kalque kullanır (örneğin, кремень "flint" ten Rusça кремний, fireρ "fire" dan Yunanca πυριτιο; piikivi "flint" ten gelen Fin pii).

Gay-Lussac ve Thénard'ın son zamanlarda izole edilmiş potasyum metalinin silikon tetraflorür ile ısıtılması yoluyla 1811'de saf olmayan amorf silikon hazırladıkları düşünülüyor, ancak ürünü saflaştırmamış ve karakterize etmemiş, yeni bir element olarak tanımlamamışlardır. Silikon 1817'de İskoç kimyager Thomas Thomson tarafından bugünkü adını aldı. Davy adının bir kısmını korudu, ancak "-on" i ekledi çünkü silikonun bor ve karbona benzer bir ametal olduğuna inanıyordu. 1823 yılında Jöns Jacob Berzelius, Gay-Lussac (erimiş potasyum metali ile potasyum florosilikatın azaltılması) ile aynı yöntemi kullanarak amorf silikon hazırladı, ancak ürünü tekrar tekrar yıkayarak kahverengi bir toz haline getirdi. Sonuç olarak, ona genellikle öğenin keşfi için kredi verilir. Aynı yıl, Berzelius ilk silikon tetraklorürü hazırladı; silisyum tetraflorür, 1771 yılında Carl Wilhelm Scheele tarafından silis hidroflorik asit içinde çözülerek çoktan hazırlanmıştır.

Daha yaygın kristal formundaki silikon, 31 yıl sonrasına Deville kadar hazırlanmadı. Yaklaşık %10 silikon içeren bir sodyum klorür ve alüminyum klorür karışımını elektrolize ederek, 1854'te biraz saf olmayan bir silikon allotropu elde edebildi. Daha sonra, en son 2010 yılında siliken olan birkaç allotrop formunu izole etmek için daha uygun maliyetli yöntemler geliştirilmiştir. Bu arada silikon kimyası üzerine araştırmalar devam etti; Friedrich Wöhler, 1857'de triklorosilan sentezleyerek silikonun ilk uçucu hidridlerini keşfetti ve ancak silanların ayrıntılı bir araştırması, 1830'larda sentetik organik kimyanın başlangıcına kadar uzanan konuyla ilgili erken spekülasyonlara rağmen, Alfred Stock tarafından sadece 20. yüzyılın başlarında gerçekleştirildi. Benzer şekilde, ilk organosilikon bileşiği tetraetilsilan, 1863'te Charles Friedel ve James Crafts tarafından sentezlendi, ancak organosilikon kimyasının ayrıntılı karakterizasyonu sadece 20. yüzyılın başlarında Frederic Kipping tarafından yapıldı.

1920'lerden başlayarak, William Lawrence Bragg'in X-ışını kristalografisi üzerindeki çalışması, daha önce analitik kimyadan bilinen, ancak henüz anlaşılmayan silikatların bileşimlerini, Linus Pauling'in kristal kimyası ve Victor Goldschmidt'in jeokimyanın gelişimini başarılı bir şekilde açıkladı. 20. yüzyılın ortalarında siloksanların kimyası ve endüstriyel kullanımı ve silikon polimerleri, elastomerler ve reçinelerin artan kullanımı görüldü. 20. yüzyılın sonlarında, silisitlerin kristal kimyasının karmaşıklığı ve katkılı yarı iletkenlerin katı hal kimyası haritalandı.

Silikon yarı iletkenler

İlk yarı iletken cihazlarda silikon kullanmamış, ancak Alman fizikçi Ferdinand Braun'un 1874'teki kristal dedektörü ve Bengalli fizikçi Jagadish Chandra Bose'un 1901'deki radyo kristal dedektörü dahil olmak üzere galena kullanmıştır. İlk silikon yarı iletken cihaz, 1906'da Amerikalı mühendis Greenleaf Whittier Pickard tarafından geliştirilen bir silikon radyo kristal dedektörüdür.

1940 yılında Russell Ohl, silikondaki p-n bileşimini ve fotovoltaik etkileri keşfetti. 1941'de, İkinci Dünya Savaşı sırasında radar mikrodalga dedektörleri için yüksek saflıkta germanyum ve silikon kristalleri üretme teknikleri geliştirildi. 1947'de fizikçi William Shockley, germanyum ve silikondan yapılmış bir alan etkili amplifikatörü teorize etti, ancak sonunda bunun yerine germanyum ile çalışmadan önce bir çalışma cihazı inşa edemedi. İlk çalışan transistör, o yıl sonra Shockley altında çalışırken John Bardeen ve Walter Brattain tarafından inşa edilen bir nokta temaslı transistördü. 1954'te fiziksel kimyacı Morris Tanenbaum, Bell Laboratuarlarında ilk silikon bağlantı noktası transistörünü üretti. 1955'te Bell Labs'taki Carl Frosch ve Lincoln Derick yanlışlıkla silikon dioksitin (Si0₂) silikon üzerinde yetiştirilebileceğini keşfettiler ve daha sonra bunun 1958'deki difüzyon işlemleri sırasında silikon yüzeylerini maskeleyebileceğini önerdiler.

Yarı iletken endüstrisinin ilk yıllarında, 1950'lerin sonlarına kadar, germanyum silikon yerine transistörler ve diğer yarı iletken cihazlar için baskın yarı iletken malzemeydi. Germanyum başlangıçta daha yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha iyi performans gösterebildiği için daha etkili yarı iletken malzeme olarak kabul edildi. Erken silikon yarı iletkenlerinde göreceli performans eksikliği, elektrik iletkenliğinin, yüzeyde doymamış bağların bulunması nedeniyle ortaya çıkan sarkan bağlar nedeniyle elektronların yüzeyde tutulduğu dengesiz kuantum yüzey durumları ile sınırlı olmasından kaynaklanmıştır. Bu, elektriğin yarı iletken silikon katmanına ulaşmak için yüzeye güvenilir bir şekilde nüfuz etmesini önledi.

Silikon yarı iletken teknolojisinde bir atılım yaptı, 1950'lerin sonunda Bell Labs'ta termal oksidasyonla yüzey pasivasyonu sürecini geliştiren Mısırlı mühendis Mohamed M. Atalla'nın çalışmasıyla geldi. Termal olarak büyütülmüş bir silikon dioksit tabakasının oluşumunun, silikon yüzeyindeki elektronik durumların konsantrasyonunu büyük ölçüde azalttığını ve silikon oksit tabakalarının silikon yüzeylerini elektriksel olarak stabilize etmek için kullanılabileceğini keşfetti. Atalla, bulgularını ilk olarak 1957'de Bell notlarında yayınladı ve daha sonra 1958'de gösterdi. Bu, yüksek kaliteli silikon dioksit izolatör filmlerinin, alttaki silikon p-n bağlantı diyotlarını ve transistörlerini korumak için silikon yüzey üzerinde termal olarak büyütülebildiğini gösteren ilk gösteriydi. Atalla'nın yüzey pasivasyonu süreci, silikonun germanyumun iletkenliğini ve performansını aşmasını sağladı, ve silikon devriminin önünü açan baskın yarı iletken malzeme olarak germanyumun yerini silikon aldı. Atalla'nın yüzey pasivasyonu süreci, silikon yarı iletken teknolojilerindeki en önemli ilerleme olarak kabul edilir ve silikon yarı iletken cihazların seri üretimine zemin hazırlar.

Atalla'nın 1959'da MOSFET (metal-oksit-silikon alan etkili transistör) icatında ve Kore'deki meslektaşı Dawon Kahng ile yüzey pasivasyonu ve termal oksidasyon üzerindeki öncü çalışmaları doruk noktasına ulaştı. MOSFET, seri üretilen ilk silikon transistördü ve silikon devriminin başlatılmasıyla tanındı. Buna ek olarak, Atalla'nın yüzey pasivasyonu süreci, Fairchild Yarı İletken'deki iki önemli silikon yarı iletken icatının, 1958'de İsviçreli mühendis Jean Hoerni'nin düzlemsel teknolojisinin ve 1959'da Amerikalı fizikçi Robert Noyce'nin silikon entegre devre yongasının temelini oluşturdu. Bu da 1960 yılında Atalla'ya MOS entegre devre konseptini önerdi, MOSFET'lerden üretilen ve daha sonra entegre devreler için standart yarı iletken cihaz üretim süreci haline gelen bir silikon çipti. 1960'ların ortalarında, neredeyse tüm entegre devreleri ve silikon cihazlarını üretmek için Atalla'nın oksitlenmiş silikon yüzeyler işlemi kullanıldı. Termal oksidasyon ile yüzey pasivasyonu, silikon yarı iletken teknolojisinin temel bir özelliği olmaya devam etmektedir.

Silikon çağı

"Silikon Çağı" 20. yüzyılın sonları ile 21. yüzyılın başları arasındadır. Bunun nedeni, silikonun Taş Devri, Bronz Çağı ve Demir Çağı, uygarlık çağlarında baskın materyaller tarafından nasıl tanımlandığına benzer şekilde Silikon Çağı'nın baskın malzemesi olması (Dijital Çağ veya Bilgi Çağı olarak da bilinir), olarak bilinir.

Silikon devriminin (dijital devrim veya bilgi devrimi olarak da bilinir) anahtar bileşeni veya "işgücü", silikon MOSFET'tir (MOS transistörü). Geniş bir kullanım yelpazesi için minyatürize edilebilen ve seri olarak üretilebilen ilk gerçekten kompakt transistördü, Silikon devriminin başlangıcı, Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng'ın MOSFET'i icat ettiklerini ilk kez gösterdikleri 1960'a tarihlendi. O zamandan beri, silikon MOSFET'lerin ve MOS entegre devre yongalarının seri üretimi ve üstel bir hızda (Moore kanununun öngördüğü gibi) sürekli MOSFET ölçeklendirme minyatürizasyonu, teknoloji, ekonomi, kültür ve düşünmede devrim niteliğinde değişikliklere yol açtı. O zamandan bu yana MOSFET, 1960-2018 yılları arasında üretilen toplam 13 sextilyon MOSFET ile tarihteki en yaygın cihaz haline geldi.

Silikon, yüksek teknolojili yarı iletken cihazlarda önemli bir unsur olduğundan, dünyanın birçok yerinde adı vardır. Örneğin, California'daki Santa Clara vadisi, silikon yarıiletken endüstrisinin temel malzemesi olduğu için Silikon Vadisi takma adını aldı. O zamandan beri bu takma adlar bazı yerelere verilmiştir önekler arasında, Oregon'daki Silikon Ormanı, Austin, Teksas'taki Silikon Tepeleri, Utah Salt Lake City'deki Silikon Yamaçları, Almanya'daki Silikon Saksonya, Hindistan'daki Silikon Vadisi, Mexicali'deki Silikon Sınırı, Meksika, Silisyum Fen Cambridge, İngiltere Londrada, Silikon Kavşağı , İskoçyada Silikon Glen ,İngilterede Silikon Gorge Bristol, New York'ta Silikon Sokak New York, ve California Los Angeles'taki Silikon Plajı sıralanablir.

Özellikleri

Fiziksel ve atomik

Bir silikon atomu on dört elektrona sahiptir. temel hal de, elektron konfigürasyonunda [Ne]3s²3p² düzenlenmiştir. Bunlardan dördü 3'lü yörüngeyi ve 3p yörüngesinden ikisini işgal eden değerlik elektronlarıdır. Grubunun diğer üyeleri, daha hafif karbon ve daha ağır germanyum, kalay ve kurşun gibi, değerlik orbitalleri ile aynı sayıda değerlik elektronuna sahiptir: bu nedenle, sekizlisini tamamlayabilir ve sp3 hibrit orbitalleri oluşturmak, merkezi silikon atomunun bağlı olduğu dört atomun her biriyle bir elektron çiftini paylaştığı tetrahedral SiX₄ türevleri oluşturur. Silisyumun ilk dört iyonizasyon enerjisi sırasıyla 786.3, 1576.5, 3228.3 ve 4354.4 kJ/mol'dür; bu rakamlar element için basit katyonik kimya olasılığını engelleyecek kadar yüksektir. Periyodik eğilimleri takiben, 117.6 pm'lik tek bağ kovalent yarıçapı karbon (77.2 pm) ve germanyum (122.3 pm) arasındadır. Silikonun hekzakoordinat iyonik yarıçapı 40 pm olarak kabul edilebilir, ancak gerçekte basit bir Si⁴⁺ katyonu olmadığı göz önüne alındığında bu tamamen kavramsal bir rakam olarak alınmalıdır.

Elektriksel

Standart sıcaklık ve basınçta silikon, mavimsi-gri metalik parlaklığa sahip parlak bir yarı iletkendir; yarı iletkenler için tipik olarak, sıcaklık arttıkça direnci düşer. Bunun nedeni, silikonun en yüksek işgal edilen enerji seviyeleri (değerlik bandı) ile en düşük boş olanlar (iletim bandı) arasında küçük bir enerji boşluğuna (bant boşluğu) sahip olmasıdır. Fermi seviyesi, değerlik ve iletim bantları arasında yaklaşık bir yarıya sahiptir ve bir durumun bir elektron tarafından işgal edilmeyeceği enerjidir. Dolayısıyla saf silikon, oda sıcaklığında etkili bir yalıtkandır. Bununla birlikte, silikonun fosfor, arsenik veya antimon gibi bir piknojen ile katılması, her bir dopant başına bir ekstra elektron ekler ve bunlar daha sonra termal veya fotolitik olarak iletim bandında uyarılabilir ve n tipi bir yarı iletken oluşturabilir. Benzer şekilde, silisyumun bor, alüminyum veya galyum gibi bir grup 13 elementi ile katılması, doldurulmuş değerlik bandından çıkarılabilecek elektronları yakalayan ve p tipi bir yarı iletken yaratan alıcı seviyelerinin ortaya çıkmasına neden olur. ((N-tipi silikonun p-tipi silikona birleştirilmesi, ortak bir Fermi seviyesi ile bir p-n birleşimi yaratır; elektronlar n'den p'ye akarken delikler p'den n'ye akar ve bir voltaj düşüşü oluşturur. Dolayısıyla bu p-n bağlantısı, akımın diğerinden daha kolay geçmesine izin veren alternatif akımı düzeltebilen bir diyot görevi görür. Bir transistör, iki n-tipi bölge arasında ince bir zayıf p-tipi silikon tabakası olan bir n-p-n birleşimidir. Vericiyi küçük ileri bir voltajdan ve toplayıcıyı büyük bir ters voltajdan saptırmak, transistörün bir triyot amplifikatör olarak işlev görmesini sağlar.))

Kristal yapı

Silikon standart koşullarda dev bir kovalent yapıda, özellikle elmas kübik bir kafes içinde kristalleşir. Dolayısıyla, güçlü kovalent bağları kırmak ve katıları eritmek için çok fazla enerji gerektiğinden, 1414 °C'lik yüksek bir erime noktasına sahiptir. Standart basınçta herhangi bir allotropa sahip olduğu bilinmemektedir, ancak daha yüksek basınçlarda diğer bazı kristal yapıları bilinmektedir. Genel eğilim, Si–VII olarak bilinen yaklaşık 40 gigapaskalda altıgen bir yakın paketlenmiş allotropda doruğa ulaşan basınçla artan koordinasyon sayısından biridir (standart modifikasyon Si–I'dir). Silikon 3265 °C'de kaynar: bu yüksekken hala daha hafif olan kongener karbonun (3642 °C) süblime ettiği sıcaklıktan daha düşüktür ve silikon benzer şekilde karbondan daha düşük bir buharlaşma ısısına sahiptir. Si bağı C-C bağından daha zayıftır.

grafene benzer silisen tabakaları oluşturmak da mümkündür.

izotopları

Doğal olarak oluşan silikon üç kararlı izotoptan oluşur, ²⁸Si (%92.23), ²⁹Si (%4.67), ve ³⁰Si (%3.10). Bunlardan, sadece ²⁹Si NMR ve EPR spektroskopisinde kullanılır, çünkü nükleer spine sahip olanlanrdan biridir (I = 1/2). Üçü de oksijen yakma işlemi ile yıldızlarda üretilir, ²⁸Si alfa işleminin bir parçası olarak yapılır ve bu nedenle en bol miktarda bulunur. ²⁸Si'nin yıldızlarda fotodisintegrasyon düzenlemesi ile alfa parçacıkları ile kaynaştırılması silikon yakma işlemi olarak bilinir; tip II süpernovada söz konusu yıldızın hızlı çökmesi ve şiddetli patlaması öncesi yıldız nükleosentezinin son aşamasıdır.

Yirmi radyoizotop karakterize edilmiştir, bunların en stabilleri yaklaşık 150 yıllık yarı ömürlü ³²Si ve yarı ömür 2.62 saat olan ³¹Si'dir. Geri kalan tüm radyoaktif izotopların yarılanma ömrü yedi saniyeden azdır ve bunların çoğunun saniyenin onda biri kadar yarılanma ömrü vardır. Silikon, yarı ömrü 210 nanosaniyeden az olan bilinen bir nükleer izomer olan ³⁴mSi'ye sahiptir. ³²Si, ³²P'ye düşük enerjili beta bozunmasına ve ardından ³²S'ye kararlı hale gelir. ³¹Si, doğal silikonun nötron aktivasyonu ile üretilebilir ve bu nedenle kantitatif analiz için yararlıdır; yayılan elektronun 1.48 MeV enerjiye kadar taşıdığı kararlı ³¹P'ye karakteristik beta bozunması ile kolayca tespit edilebilir.

Bilinen silikon izotopları kütle numarası 22 ila 44 arasındadır. Üç kararlı izotoptan daha az kütle sayısına sahip izotopların en yaygın bozunma modu, ters beta bozunmasıdır, esas olarak bozunma ürünleri olarak alüminyum izotopları (13 proton) oluşturur. Daha ağır kararsız izotoplar için en yaygın bozunma modu beta bozunmasıdır, esas olarak bozunma ürünleri olarak fosfor izotopları (15 proton) oluşturur.

Kimya ve bileşikler

Silikon kristalin hacimi oldukça etkisizdir, ancak yüksek sıcaklıklarda daha reaktif hale gelir. Komşusu alüminyum gibi, silikon da metali oksidasyondan koruyan ince, sürekli bir yüzey silikon dioksit (Si0₂) tabakası oluşturur. Böylece silikon, 900 °C'nin altındaki hava ile ölçülebilir bir şekilde reaksiyona girmez, ancak vitröz dioksit oluşumu hızla 950 °C ile 1160 °C arasında artar ve 1400 °C'ye ulaşıldığında, atmosferik azot ayrıca SiN ve Si₃N₄ nitrürlerini vermek için reaksiyona girer. Silikon, 600 °C'de gaz halinde sülfür ve 1000 °C'de gaz halinde fosfor ile reaksiyona girer. Bu oksit tabakası yine de halojenlerle reaksiyonu önlemez; flor, oda sıcaklığında silikona güçlü bir şekilde saldırır, klor yaklaşık 300 °C'de ve brom ve iyot yaklaşık 500 °C'de yapar. Silikon çoğu sulu asitle reaksiyona girmez, fakat konsantre nitrik asit ve hidroflorik asit karışımı ile oksitlenir ve florlanır; silikatlar oluşturmak için sıcak sulu alkali içinde kolayca çözünür. Yüksek sıcaklıklarda silikon ayrıca alkil halojenürlerle reaksiyona girer; bu reaksiyon, organosilikon klorürleri silikon polimerlerine öncü olarak doğrudan sentezlemek için bakır ile katalize edilebilir. Erime üzerine silikon, son derece reaktif hale gelir, silisit oluşturmak için çoğu metal ile alaşımlanır ve silikon dioksit oluşum ısısı çok büyük olduğu için çoğu metal oksidi azaltır. Sonuç olarak, sıvı silikon kaplar zirkonyum dioksit veya grup 4, 5 ve 6 borürler gibi ateşe dayanıklı, reaktif olmayan malzemelerden yapılmalıdır.

Tetrahedral koordinasyon, tıpkı karbon kimyasında olduğu gibi silikon kimyasında önemli bir yapısal motiftir. Bununla birlikte, 3p alt kabuğu, 2p alt kabuğundan daha dağınıktır ve 3s alt kabuğuyla çok iyi melezleşmez. Sonuç olarak, silikonun kimyası ve daha ağır konjenerleri karbonunkinden önemli farklılıklar gösterir ve bu nedenle oktahedral koordinasyon da önemlidir. Örneğin, silikonun elektronegatifliği (1.90) karbondan (2.55) çok daha azdır, çünkü silikonun değerlik elektronları çekirdekten karbondakinden daha fazladır ve dolayısıyla çekirdekten daha küçük elektrostatik çekim kuvvetleri yaşar. 3p orbitallerinin zayıf üst üste binmesi, aynı zamanda, Si–Si bağının C–C bağına kıyasla eşzamanlı zayıflaması nedeniyle, silikasyona (Si–Si bağlarının oluşumu) karbondan çok daha düşük bir eğilim gösterir: ortalama Si–Si bağı enerjisi, C–C bağı için 356 kJ/mol değerine kıyasla yaklaşık 226 kJ/mol'dür. Bu, çoklu bağlanmış silikon bileşiklerinin, genellikle, çift bağ kuralının bir örneği olan karbon muadillerinden çok daha az kararlı olmasına neden olur. Öte yandan, silikonun değerlik kabuğunda 3d orbitallerin varlığı, SiX−
5 ve SiF2−
6 gibi silikonun beş ve altı koordinat türevlerinde görüldüğü gibi hipervalite olasılığını düşündürmektedir. Son olarak, grup alçalırken değerlik s ve p orbitalleri arasındaki artan enerji boşluğu nedeniyle, iki değerlikli durum karbondan kurşuna kadar önem kazanır, böylece silikon için birkaç kararsız iki değerlikli bileşik bilinir; ana oksitlenme durumunun, atomik yarıçapların artmasıyla birlikte düşmesi, grupta metalik karakterin artmasına neden olur. Silikon zaten bazı başlangıç ​​metalik davranışlarını, özellikle de oksit bileşiklerinin davranışları ve asitlerle ve bazlarla reaksiyonunda (bu biraz çaba gerektirse de) gösterir ve bu nedenle genellikle ametal yerine metaloid olarak adlandırılır. Bununla birlikte, metaliklik 14. grupta germanyum kadar belirginleşmez ve kalay kadar baskın olur, düşük +2 oksidasyon durumunun artan önemi ile.

Silikon karbondan belirgin farklılıklar gösterir. Örneğin, organik kimya, silikon kimyası ile çok az analojiye sahipken, silikat mineralleri oksokarbonlarda görülmeyen yapısal bir karmaşıklığa sahiptir. Silikon, germanyumun karbondan çok daha fazla benzeme eğilimindedir ve bu benzerlik, d-bloğu kasılması ile arttırılır, bu da germanyum atomunun, silikon atomunun büyüklüğünün, periyodik eğilimlerin tahmin edebileceğinden çok daha yakın olmasına neden olur. Bununla birlikte, germanyumdaki iki değerlikli durumun silikonla karşılaştırıldığında artan önemi nedeniyle hala bazı farklılıklar vardır, bu da germanyumun silikondan önemli ölçüde daha metalik olmasına neden olur. Ek olarak, Si–O bağ dayanımına kıyasla daha düşük Ge–O bağ kuvveti, silikon polimerlere benzer "germanon" polimerlerinin bulunmamasına neden olur.

Silisidler

Çoğu metal silikat bilinmektedir, bunların çoğu değerliliğe basit itirazlarla açıklanamayan formüllere sahiptir: bağları metalik ila iyonik ve kovalent arasında değişir. Bilinen bazı stokiyometriler M₆Si, M₅Si, M₄Si, M₁₅Si₄, M₃Si, M₅Si₂, M₂Si, M₅Si₃, M₃Si₂, MSi, M₂Si₃, MSi₂, MSi₃, ve MSi₆'dır. Bor ve silikon arasındaki diyagonal ilişkiye uygun olarak yapısal olarak karbürlerden daha boridlere benzerler, ancak bordan daha büyük silikon boyutu kesin yapısal analojilerin az ve çok arasında olduğu anlamına gelir. Silisitlerin oluşum ısıları genellikle aynı elementlerin borid ve karbürlerine benzer, ancak genellikle daha düşük sıcaklıklarda erir. Silisitler, berilyum hariç, 1-10. Gruplardaki tüm kararlı elementler için bilinir: özellikle, 4-10. Grupların uranyum ve geçiş metalleri en geniş stokiyometri aralığını gösterir. Bakır hariç, 11–15 gruplarındaki metaller silikat oluşturmaz. Bunun yerine, çoğu ötektik karışımlar oluşturur, ancak en ağır geçiş sonrası metaller cıva, talyum, kurşun ve bizmut sıvı silikon ile tamamen karışmaz.

Genellikle, silisitler elementlerin doğrudan reaksiyonu ile hazırlanır. Örneğin, alkali metaller ve toprak alkali metaller silisitler vermek için silikon veya silikon oksit ile reaksiyona girer. Bununla birlikte, bu yüksek oranda elektropozitif elementlerle bile, gerçek silikon anyonları elde edilemez ve bu bileşiklerin çoğu yarı iletkenlerdir. Örneğin, alkali metal silisitler (M+
)
4(Si4−
4), Si4−
4 anyonunda piramit tricoordinat silikon, beyaz fosforlu izoelektronik, P₄ içerir. Metal bakımından zengin silisitlerin izole edilmiş silikon atomları (örneğin Cu₅Si); artan silikon muhtevası ile, katenasyon artar, ilk önce iki (örneğin U₃Si₂) veya dört silikon atomunun (örn. [K⁺]₄[Si₄]⁴⁻) izole edilmiş kümeleri, ardından zincirler (örn. CaSi), katmanlar (örn. CaSi₂) ile veya silikon içeriği daha da arttıkça uzaya yayılan üç boyutlu silikon atom ağları (örn., α-ThSi₂) sonuçlanır.

Grup 1 ve 2 metallerin silisitleri genellikle geçiş metali silisitlerinden daha reaktiftir. İkincisi genellikle hidroflorik asit dışında sulu reaktiflerle reaksiyona girmez; bununla birlikte, kırmızı-sıcakken sıvı potasyum hidroksit veya gaz halinde flor veya klor gibi çok daha agresif reaktiflerle reaksiyona girerler. Geçiş öncesi metal silikatlar bunun yerine su ve sulu asitlerle kolayca reaksiyona girerek genellikle hidrojen veya silan üretirler.

Na₂Si + 3 H₂O → Na₂SiO₃ + 3 H₂

Mg₂Si + 2 H₂SO₄ → 2 MgSO₄ + SiH₄

Ürünler genellikle silisit reaktanının stokiyometrisine göre değişir. Örneğin, Ca₂Si polar ve iletken değildir ve tek izole silikon atomlu anti-PbCl₂ yapısına sahiptir ve kalsiyum hidroksit, hidratlanmış silikon dioksit ve hidrojen gazı üretmek için su ile reaksiyona girer. Silikon atomlarının zikzak zincirleriyle CaSi bunun yerine silanlar ve polimerik SiH₂ vermek için reaksiyona girerken, büzüşmüş silikon atomu katmanlarına sahip CaSi₂, su ile reaksiyona girmez, ancak seyreltik hidroklorik asit ile reaksiyona girer: ürün, stokiyometri Si₂H₂O ile sarı bir polimerik katıdır.

silanlar

Silikon hidrit kimyası üzerine spekülasyonlar, 1830'larda, sentetik organik kimyanın gelişmesiyle çağdaş olarak başladı. Silanın kendisi ve triklorosilan, ilk önce 1857'de alüminyum-silikon alaşımlarını hidroklorik asit ile reaksiyona sokarak Friedrich Wöhler ve Heinrich Buff tarafından sentezlendi ve 1867'de Charles Friedel ve Albert Ladenburg tarafından SiH₄ ve SiHCl₃ olarak karakterize edildi. Disilane (Si₂H₆), 1902'de, ilk kez Henri Moissan ve Samuel Smiles tarafından magnezyum silisitlerin protonolizi yapıldı. Silanların büyük reaktivitesi ve termal dengesizliği nedeniyle daha fazla araştırma 1916'ya kadar beklemek zorunda kaldı; o zaman Alfred Stock, yeni hidseless vakum teknikleriyle ciddi bir şekilde silikon hidritleri incelemeye başladı, çünkü odak noktasının kontaminantları olan bor hidritleri bulundu. Silanlar ve boranlar isimleri, alkanlarla benzetmeye dayanır. Moissan ve Smiles, silanların ve silan türevlerinin metal silisitlerin protonoliziyle hazırlanması yöntemi hala kullanılmaktadır, ancak verim eşzamanlı olarak meydana gelen ürünlerin hidrolizi ile azaltılmasına rağmen, bugün tercih edilen yol, ikame edilmiş silanları hidrit indirgeyici ile düşük sıcaklıklarda eterik çözeltiler içinde lityum alüminyum hidrit gibi maddeler ile işlemektir. HX veya RX'in silikonla, muhtemelen bakır gibi bir katalizörle doğrudan reaksiyonu, sübstitüe edilmiş silanların üretilmesi için de uygun bir yöntemdir.

Silanlar, genel bir Si_nH_2n + 2 formülü ile homolog bir dizi silikon hidrid içerir. Hepsi güçlü indirgeyici ajanlardır. Dallanmamış ve dallanmış zincirler n=8'e kadar bilinmektedir ve Si₅H₁₀ ve Si₆H₁₂ döngüleri de bilinmektedir. İlk ikisi silan ve disilan renksiz gazlardır; serinin daha ağır üyeleri uçucu sıvılardır. Tüm silanlar çok reaktiftir ve alev alır veya havada kendiliğinden patlar. Oda sıcaklığı ile termal olarak daha az kararlı hale gelirler, böylece disilan çok hızlı bir şekilde ayrışmasa da (silonun sadece %2.5'i sekiz ay geçtikten sonra ayrışır), ancak oda sıcaklığında sadece silan süresiz olarak kararlıdır. Polimerik polisilikon hidrit ve hidrojen gazı oluşturmak için ayrışırlar. Atom ağırlığı farkından beklendiği gibi, silanlar karşılık gelen alkanlardan ve boranlardan daha az uçucudur, ancak karşılık gelen germanes'den daha fazla uçucudur. Silikondaki nükleofilik saldırıyı kolaylaştıran karbona kıyasla daha büyük silikon yarıçapı, C–H bağına kıyasla Si-H bağının daha fazla polaritesi sekizlisini genişletir ve böylece eklentiler oluşturur ve reaksiyonun aktivasyon enerjisini azaltır ve silikonun yapışma kabiliyeti nedeniyle karşılık gelen alkanlardan çok daha reaktiftirler.

Silan pirolizi polimerik türler ve son olarak elementel silikon ve hidrojeni verir; gerçekten de ultra saf silikon, silanın pirolizi ile ticari olarak üretilir. Alkanların termal ayrışması, bir C–H veya C–C bağının kopması ve radikal ara maddelerin oluşumu ile başlarken, polisilanlar, silisyenler: SiH₂ veya: SiHR'yi, bu işlemin aktivasyon enerjisi olarak (~ 210 kJ/mol), Si–Si ve Si–H bağ enerjilerinden çok daha azdır. Saf silanlar saf su veya seyreltik asitlerle reaksiyona girmezken, alkali izleri hidratlı silikon dioksite anında hidrolizi katalize eder. Reaksiyon metanol içinde gerçekleştirilirse, kontrollü solvoliz SiH₂(OMe)₂, SiH(OMe)₃, ve Si(OMe)₄ ürünlerinde sonuçlanır. Si-H bağı ayrıca yavaşça ilerleyen ve dahil olan silanın ikamesi ile hızlanan bir reaksiyon olan alkenlere eklenir. 450 °C'de silan, aseton ile bir ilave reaksiyonuna ve ayrıca etilen oksit ile bir halka açma reaksiyonuna katılır. Silanların klor veya brom ile doğrudan reaksiyonu, oda sıcaklığında patlamalara neden olur, ancak silanın −80 °C'de brom ile reaksiyonu kontrol edilir ve bromosilan ve dibromosilan verir. Monohalosilanlar, silanın uygun hidrojen halojenür ile bir Al₂X₆ katalizörü ile reaksiyona sokulması veya silanın ısıtılmış bir akış reaktöründe katı bir gümüş halojenür ile reaksiyona sokulması suretiyle oluşturulabilir:

SiH₄ + 2 AgCl 260 °C→  SiH₃Cl + HCl + 2 Ag

Silan türevleri arasında, iyodosilan (SiH₃I) ve potasyum silanid (KSiH₃), daha karmaşık silikon içeren bileşiklerin üretiminde çok faydalı sentetik ara maddelerdir: ikincisi, K⁺ katyonları ve SiH−
3 anyonları içeren renksiz kristalimsi iyonik bir katıdır. NaCl yapısı ve silanın potasyum metal ile indirgenmesi ile yapılır. Ek olarak, reaktif hipervalent tür SiH−
5 de bilinmektedir. Uygun organik ikame ediciler ile kararlı polisilanlar üretmek mümkündür: zincirdeki elektronların sigma delokalizasyonundan kaynaklanan şaşırtıcı derecede yüksek elektrik iletkenliklerine sahiptirler.

Halitler

Silikon ve silikon karbür, dört kararlı halojenin tümü ile kolayca reaksiyona girerek renksiz, reaktif ve uçucu silikon tetrahalidleri oluşturur. Silikon tetraflorür, diğer silikon halojenürlerin florlaştırılmasıyla da yapılabilir ve hidroflorik asidin cam üzerine saldırmasıyla üretilir. İki farklı tetrahalidin birlikte ısıtılması, aynı zamanda, halojen değişim reaksiyonları ile de üretilebilen rastgele bir halid karışımı karışımı üretir. Bu türün erime ve kaynama noktaları genellikle artan atom ağırlığı ile yükselir, ancak birçok istisna vardır: örneğin, erime ve kaynama noktaları SiFBr₃ SiFClBr₂'den SiFCl₂Br'ye geçerken düşer. Grup 13 ve daha önceki gruplarda bulunan hipoelektronik elemanlardan grup 14 elemanlara geçiş, alüminyum florürdeki sonsuz iyonik yapıdan, alüminyumun silikondan daha düşük elektronegatifliği tarafından dikte edildiği gibi basit kovalent silikon tetraflorür moleküllerinin bir kafesine geçişle gösterilmiştir. stokiyometri (+4 oksidasyon durumu gerçek iyoniklik için çok yüksek) ve alüminyum atomuna kıyasla silikon atomunun daha küçük boyutu vardır. Silikon tetraklorür, saf silikon, silikon dioksit ve bazı silikon esterlerin üretiminin öncüsü olarak büyük ölçekte üretilir. Silikon tetrahalidler, karbon tetrahalidlerin aksine, suda daha kolay hidrolize olurlar, çünkü silikon atomunun daha büyük boyutu, nükleofilik saldırıya ve silikon atomunun karbonun bulunmadığı sekizlisini genişletme yeteneğine daha açıktır. Silikon florürün fazla hidroflorik asit ile reaksiyonu, oktahedral heksaflorosilikat anyon SiF2−
6 üretir.

Silanlara benzer şekilde, Si_nX_2n + 2 halopolisilanları da bilinmektedir. Karbon bileşiklerinde katenasyon, halojenürler yerine hidrojen bileşiklerinde en üst düzeye çıkarılırken, bunun tersi silikon için geçerlidir, böylece halopolisilanlar en az Si₁₄F₃₀, Si₆Cl₁₄, ve Si₄Br₁₀'a kadar bilinir. Bu fenomen için önerilen bir açıklama, halojen atomları üzerindeki doldurulmuş p orbitallerinden silikondaki boş d orbitallerine pi geri bağlanmasıyla silikonun elektron kaybının daha elektronegatif halojen atomlarına telafisidir: bu karbon monoksit durumuna benzer metal karbonil komplekslerinde ve kararlılıklarını açıklar. Bu halopolisilanlar, silikon tetrahalidlerin elementel silikon ile karşılaştırılması veya daha hafif halopolisilanların (bu reaksiyon için faydalı bir katalizör olan trimetilamonyum) yoğunlaştırılmasıyla üretilebilir.

Silis

Silika olarak da bilinen silikon dioksit (SiO₂), sadece suya göre ikinci olarak en iyi çalışılan bileşiklerden biridir. Silisin on iki farklı kristal modifikasyonu bilinmektedir, en yaygın olanı granit ve kumtaşı gibi birçok kayaçların ana bileşeni olan α-kuvarsdır. Ayrıca kaya kristali olarak saf bir formda oluştuğu bilinmektedir; saf olmayan formlar gül kuvars, dumansı kuvars, morion, ametist ve sitrin olarak bilinir. Kalsedon, krisopraz, carnelian, akik, oniks, jasper, heliotrop ve çakmaktaşı gibi bazı zayıf kristalin kuvars formları da bilinmektedir. Silikon dioksitin diğer modifikasyonları, tridimit ve kristobalit gibi bazı diğer minerallerde ve daha az yaygın olan coesite ve stishovite'de bilinmektedir. Biyolojik olarak üretilen formlar aynı zamanda kieselguhr ve diatomlu toprak olarak da bilinir. Vitreus silikon dioksit tektit ve obsidiyen, nadiren de lekoltelierit olarak bilinir. Bazı sentetik formlar keatit ve W-silika olarak bilinir. Opaller, kısmen hidratlanmış silikon dioksitin karmaşık kristalli agregalarından oluşur.

Oluşum

Evrende silikon, hidrojen, helyum, karbon, azot, oksijen ve neondan sonra gelen en bol yedinci elementtir. Bu bolluklar, Güneş Sistemi'nin oluşumu sırasında meydana gelen elementlerin önemli ölçüde ayrılması nedeniyle Dünya'da iyi bir şekilde çoğaltılmıyor. Silikon, Dünya kabuğunun ağırlığının %27.2'sini oluşturur, ikincisi sadece %45.5'te oksijendir ve her zaman doğada ilişkilendirilir. Gezegensel farklılaşma ile Dünya'nın oluşumunda daha fazla fraksiyonasyon gerçekleşti: Dünya kütlesinin %31.5'ini oluşturan dünyanın çekirdeği, yaklaşık Fe₂₅Ni₂Co_0.1S₃ bileşimine sahiptir; manto Dünya kütlesinin %68.1'ini oluşturur ve çoğunlukla daha yoğun oksitlerden ve silikatlardan oluşur, bir örnek olivin, (Mg,Fe)₂SiO₄'tür; alüminosilikatlar gibi daha hafif silisli mineraller yüzeye yükselir ve kabuğu oluşturur ve Dünya kütlesinin %0,4'ünü oluşturur.

Magmatik kayaların magmadan kristalizasyonu bir dizi faktöre bağlıdır; bunlar arasında magmanın kimyasal bileşimi, soğutma hızı ve kafes enerjisi, erime noktası ve kristal yapılarının karmaşıklığı gibi oluşturulacak münferit minerallerin bazı özellikleri bulunur. Magma soğudukça önce olivin, ardından piroksen, amfibol, biyotit mika, ortoklaz feldispat, muskovit mika, kuvars, zeolitler ve son olarak hidrotermal mineraller ortaya çıkar. Bu sekans, soğutma ile giderek daha karmaşık silikat birimlerine doğru bir eğilim ve oksitlere ek olarak hidroksit ve florür anyonlarının sokulmasını gösterir. Birçok metal silikon yerine kullanılabilir. Bu magmatik kayaçlar ayrışma, nakil ve birikime girdikten sonra kil, şeyl ve kumtaşı gibi tortul kayaçlar oluşur. Metamorfizma ayrıca yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda ortaya çıkabilir ve daha da çeşitli mineraller oluşturur.

Üretim

%96-99 saflıkta silikon, kuvarsit veya kumun oldukça saf kok ile azaltılmasıyla yapılır. İndirgeme, bir elektrik ark ocağında gerçekleştirilir ve silikon karbürün (SiC) birikmesini durdurmak için fazla miktarda SiO₂ kullanılır:

SiO₂ + 2 C → Si + 2 CO

2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2 CO

Silikon dioksidin karbotermal indirgenmesi olarak bilinen bu reaksiyon genellikle ferrosilikon üreten düşük miktarlarda fosfor ve kükürt içeren hurda demir mevcudiyetinde gerçekleştirilir. Değişken oranlarda silikon ve demir içeren bir demir-silikon alaşımı olan ferrosilikon, dünyanın temel element silikon üretiminin yaklaşık %80'ini oluşturur ve 4.6 milyon ton (veya 2/3) dünya üretimi) silikon, çoğu ferrosilikon biçimindedir. Onu Rusya (610.000 t), Norveç (330.000 t), Brezilya (240.000 t) ve Amerika Birleşik Devletleri (170.000 t) takip etmektedir. Ferrosilikon, birincil olarak demir veya çelikte alaşım ilavesi olarak ve entegre çelik tesislerinde çeliğin oksidasyonunu önlemek için demir ve çelik endüstrisi tarafından kullanılır. Bazen kullanılan başka bir reaksiyon, silikon dioksitin aşağıdaki gibi alüminotermal indirgenmesidir:

3 SiO₂ + 4 Al → 3 Si + 2 Al₂O₃

Tozlu %96-97 saf silikonun su ile yıkanması, kimya endüstrisinde kullanılan ~%98.5 saf silikon ile sonuçlanır. Bununla birlikte, yarı iletken uygulamaları için daha fazla saflık gereklidir ve bu tetraklorosilan veya triklorosilanın azaltılmasından üretilir. Birincisi hurda silikonun klorlanmasıyla yapılır ve ikincisi silikon üretiminin bir yan ürünüdür. Bu bileşikler uçucudur ve bu nedenle tekrarlanan fraksiyonel damıtma ile saflaştırılabilir, ardından indirgeyici ajan olarak çok saf çinko metal ile elementel silisyuma indirgenebilir. Bu şekilde üretilen süngerimsi silikon parçaları eritilir ve daha sonra bölge rafine edilmesiyle saflaştırılmadan önce silindirik tek kristaller oluşturmak üzere büyütülür. Diğer yollarda silan veya tetraiodosilanın termal ayrışması kullanılır. Kullanılan başka bir işlem, fosfat gübre endüstrisinin yaygın bir atık ürünü olan sodyum heksaflorosilikatın metalik sodyum ile indirgenmesidir: bu oldukça ekzotermiktir ve bu nedenle dış yakıt kaynağı gerektirmez. Aşırı ince silikon, hemen hemen her malzemeden daha yüksek bir saflıkta yapılır: transistör üretimi, 10¹⁰'da 1 kısımdan daha az silikon kristallerinde safsızlık seviyeleri gerektirir ve özel durumlarda 10¹²'de 1 kısmın altında safsızlık seviyelerine ihtiyaç duyulur ve elde edilir.

Uygulamalar

Bileşikler

Çoğu silikon, saflaştırılmadan endüstriyel olarak kullanılır ve gerçekten de doğal formundan nispeten az işlemle kullanılır. Dünya kabuğunun %90'ından fazlası, negatif yüklü silikat anyonları yükü dengelemek için katyonlar gerektirdiğinde genellikle metalik iyonları olan silikon ve oksijen bileşikleri olan silikat minerallerinden oluşur. Bunların birçoğu, kil, silis kumu ve çoğu yapı taşı gibi doğrudan ticari kullanımlara sahiptir. Bu nedenle, silikon kullanımlarının büyük çoğunluğu, silikat mineralleri veya silika (ham silikon dioksit) gibi yapısal bileşiklerdir. Silikatlar, harç ve modern sıva yapımında kullanılan, ancak daha da önemlisi, silis kumu ve çakılla (genellikle granit gibi silikat mineralleri içeren) birleştirilen Portland çimentosunun (çoğunlukla kalsiyum silikatlardan yapılır) yapımında kullanılır. modern dünyanın en büyük endüstriyel bina projelerinin çoğunun temelini oluşturmaktadır.

Silika, bir tür seramik olan ateş tuğlası yapmak için kullanılır. Silikat mineralleri ayrıca beyaz eşya seramiklerinde, genellikle çeşitli tipte ateşlenmiş kil mineralleri (doğal alüminyum fillosilikatlar) içeren önemli bir ürün sınıfıdır. Bir örnek, silikat mineral kaolinite dayanan porselendir. Geleneksel cam (silika esaslı soda-kireç camı) aynı şekilde çalışır ve pencereler ve kaplar için de kullanılır. Ek olarak, optik elyaf için özel silika esaslı cam elyaflar, yapısal destek için cam elyaf ve ısı yalıtımı için cam yünü üretmek için kullanılır.

Silikonlar genellikle su yalıtım işlemlerinde, kalıplama bileşiklerinde, kalıp ayırıcılarda, mekanik salmastralarda, yüksek sıcaklık greslerinde ve vakslarda ve kalafatlama bileşiklerinde kullanılır. Silikon bazen meme implantlarında, kontakt lenslerde, patlayıcılarda ve piroteknikte de kullanılır. Silly Putty başlangıçta silikon yağına borik asit eklenerek yapılmıştır. Diğer silikon bileşikleri, yüksek teknolojili aşındırıcılar ve silikon karbür bazlı yeni yüksek mukavemetli seramikler olarak işlev görür. Silikon bazı süper alaşımların bir bileşenidir.

Alaşımlar

Erimiş dökme demire ince kesit dökümünde performansı arttırmak ve dış havaya maruz kaldığında sementit oluşumunu önlemek için ferrosilikon veya silikokalsiyum alaşımları olarak eritilmiş dökme demir eklenir. Erimiş demirde elemental silikonun varlığı, oksijen için bir lavabo görevi görür, böylece her bir çelik türü için dar sınırlar içinde tutulması gereken çelik karbon içeriği daha yakından kontrol edilebilir. Ferrosilikon üretimi ve kullanımı çelik endüstrisinin bir monitörüdür ve bu elemental silikon formu tamamen saf olmasa da, dünyadaki serbest silikon kullanımının %80'ini oluşturmaktadır. Silikon, direnç ve ferromanyetik özelliklerini değiştirerek elektriği güçlendirmek için önemli bir bileşenidir.

Silikonun özellikleri, demir dışındaki metallerle alaşımları modifiye etmek için kullanılabilir. "Metalurji dereceli" silikon %95-99 saflıkta silikondur. Dünyadaki metalürjik saflık silikon tüketiminin yaklaşık %55'i, çoğunlukla otomotiv endüstrisinde kullanılmak üzere alüminyum parça dökümü için alüminyum-silikon alaşımlarının (silumin alaşımları) üretimine yöneliktir. Silikonun alüminyum dökümdeki önemi, alüminyumdaki önemli ölçüde yüksek miktarda (%12) silikonun çok az termal büzülme ile katılaşan ötektik bir karışım oluşturmasıdır. Bu, döküm alaşımları sağlamlığa soğudukça stresten oluşan yırtılmayı ve çatlakları büyük ölçüde azaltır. Silikon ayrıca alüminyumun sertliğini ve böylece aşınma direncini önemli ölçüde artırır.

Elektronik

Üretilen çoğu elementel silikon bir ferrosilikon alaşımı olarak kalır ve sadece yaklaşık %20'si metalurjik sınıf saflığa (toplam 1.3-1.5 milyon metrik ton/yıl) rafine edilir. Dünyadaki metalürjik kalite silikon üretiminin yaklaşık %15'i yarı iletken saflığa göre daha da rafine edilmiştir. Bu tipik olarak "dokuz-9" veya %99.9999999 saflıkta, neredeyse hatasız tek kristalli malzemedir.

Bu saflıkta monokristal silikon genellikle Czochralski prosesi ile üretilir, yarı iletken endüstrisinde, elektronikte ve bazı yüksek maliyetli ve yüksek verimli fotovoltaik uygulamalarda kullanılan silikon gofretleri üretmek için kullanılır. Saf silikon, içsel bir yarı iletkendir, yani metallerden farklı olarak, atomlardan ısı ile salınan elektron deliklerini ve elektronları iletir; silikonun elektriksel iletkenliği yüksek sıcaklıklarla artar. Saf silikon, elektronikte bir devre elemanı olarak kullanılacak çok düşük bir iletkenliğe (yani, çok yüksek bir direnç) sahiptir. Pratikte, saf silikon, etkinliğini taşıyan taşıyıcıların sayısını ve yükünü (pozitif veya negatif) kontrol ederek iletkenliğini büyük ölçüde artıran ve elektriksel tepkisini ayarlayan diğer bazı elementlerin küçük konsantrasyonları ile katılır. Bu kontroller, transistörler, güneş pilleri, yarı iletken dedektörler ve bilgisayar endüstrisinde ve diğer teknik uygulamalarda kullanılan diğer yarı iletken cihazlar için gereklidir. Silikon fotoniklerde silikon, tutarlı ışık üretmek için sürekli dalga Raman lazer ortamı olarak kullanılabilir.

Ortak entegre devrelerde, monokristal silikondan bir gofret, doping ile oluşturulan ve termal yüzeylerin oksidasyon süreçleri ile Si yüzeylerinde kolayca üretilen bir yalıtkan olan ince silikon oksit katmanları ile birbirinden izole edilen devreler için mekanik bir destek görevi görür. veya Deal-Grove modeli tarafından öngörülebilen uygun koşullar altında elementin oksijene maruz bırakılmasını içeren lokal oksidasyon (LOCOS) içerir. Silikon, hem yüksek güçte yarı iletkenler hem de entegre devreler için en popüler malzeme haline gelmiştir, çünkü çığ kırılmasına maruz kalmadan en yüksek sıcaklıklara ve en büyük elektriksel aktiviteye dayanabilir (ısı, daha fazla akım geçiren serbest elektronlar ve delikler ürettiğinde bir elektron çığ oluşturulur. daha fazla ısı üretir). Ek olarak, silikonun yalıtım oksidi suda çözünmez, bu da belirli imalat tekniklerinde germanyum (yarı iletken cihazlarda da kullanılabilen benzer özelliklere sahip bir eleman) üzerinde bir avantaj sağlar.

Monokristal silikonun üretilmesi pahalıdır ve genellikle sadece küçük kristal kusurlarının küçük devre yollarına müdahale edebileceği entegre devrelerin üretiminde dayalıdır. Diğer kullanımlar için, diğer saf silikon türleri kullanılabilir. Bunlar, hidrojene amorf silikon ve sıvı kristal ekranlar ve geniş alan, düşük maliyetli, ince film güneş enerjisi hücreleri gibi uygulamalarda düşük maliyetli, geniş alanlı elektroniklerin üretiminde kullanılan yükseltilmiş metalurjik dereceli silikon (UMG-Si) içerir. Bu tür yarı iletken dereceli silikonlar, monokristalden ziyade biraz daha az saf veya polikristalindir ve monokristal silikon ile karşılaştırılabilir miktarlarda üretilir: yılda 75.000 ila 150.000 metrik ton. Daha düşük sınıf için pazar, monokristal silikondan daha hızlı büyüyor. 2013 yılına kadar çoğunlukla güneş pillerinde kullanılan polikristalin silikon üretiminin yılda 200.000 metrik tona ulaşması beklenirken, monokristal yarı iletken sınıf silikonun yılda 50.000 tondan az kalması bekleniyordu.

Kuantum Noktaları

Silisyum kuantum noktaları, hidrojen silseskioksanın birkaç nanometreden birkaç mikrona kadar nanokristallere termal olarak işlenmesiyle oluşur ve boyuta bağlı lüminesan özellikler gösterir. Nanokristaller, ultra-mor aralıktaki fotonları, partikül boyutuna bağlı olarak görünür veya kızılötesi fotonlara dönüştüren büyük Stokes kaymalarını sergilerler, sınırlı öz emilimleri nedeniyle kuantum nokta ekranlarda ve lüminesan güneş yoğunlaştırıcılarında uygulamalara izin verirler. Kadmiyum veya indiyum üzerinde silikon bazlı kuantum noktalarının kullanılmasının bir faydası, silikonun toksik olmayan, metal içermeyen doğasıdır.

Silikon kuantum noktalarının başka bir uygulaması, tehlikeli maddelerin algılanması içindir. Sensörler, tehlikeli maddenin varlığında fotolüminesansın söndürülmesi yoluyla kuantum noktalarının lüminesan özelliklerinden yararlanır. Tehlikeli kimyasal algılama için kullanılan birçok yöntem vardır; bunlardan birkaçı elektron transferi, floresan rezonans enerji transferi ve foto-akım üretimi olmakla birlikte sıralanabilir. Elektron transferi söndürme, en düşük boş moleküler orbital (LUMO) enerjide kuantum noktasının iletim bandından biraz daha düşük olduğunda oluşur ve bu, ikisi arasındaki transfer elektronlarına izin vererek, nanokristaller içindeki deliklerin ve elektronların rekombinasyonunu önler. Etki ayrıca, en yüksek işgal edilen moleküler orbitaline (HOMO) kuantum noktasının bir saçak bant kenarından biraz daha yüksek olan ve elektronların aralarında aktarılmasına, deliklerin doldurulmasına ve rekombinasyonun önlenmesine izin veren bir donör molekülü ile de tersine ulaşılabilir. Floresans rezonans enerji transferi, kuantum noktası ile söndürücü molekül arasında karmaşık bir form oluştuğunda meydana gelir. Kompleks ışığı emmeye devam edecektir, ancak enerji zemin durumuna dönüştürüldüğünde, bir foton salmaz ve malzemeyi söndürür. Üçüncü yöntem, fotoluminesan ekranı izlemek yerine kuantum noktalarının yaydığı foto akımını ölçerek farklı bir yaklaşım kullanır. İstenen kimyasalın konsantrasyonu artarsa, nanokristaller tarafından verilen foto-akım tepki olarak değişecektir.

Biyolojik rolü

Silikon silikatlar formunda kolayca bulunmasına rağmen, çok az organizma bunu doğrudan kullanır. Diyatomlar, radyolarya ve silisli süngerler, iskeletleri için yapısal bir materyal olarak biyojenik silika kullanır. Daha ileri bitkilerde, silika fitolitleri (opal fitolitler) hücrede meydana gelen katı mikroskopik cisimlerdir; bazı bitkiler, örneğin pirinç, büyümeleri için silikona ihtiyaç duyarlar. Silikonun, bazı bitkilerde bitki hücre duvarı kuvvetini ve yapısal bütünlüğünü geliştirdiği gösterilmiştir.

İnsanlardaki beslenme durumu

ilikonun insan sağlığı için tırnak, saç, kemik ve cilt dokuları için önemli olduğuna dair bazı kanıtlar vardır, örneğin, daha yüksek diyet silikon alımı olan premenopozal kadınların daha yüksek kemik yoğunluğuna sahip olduğunu gösteren çalışmalarda, ve silikon takviyesi osteoporozlu hastalarda kemik hacmini ve yoğunluğunu artırabilir. Silisyum, aortun insan vücudunda en fazla miktarda bulunduğu elastin ve kollajen sentezi için gereklidir ve temel bir unsur olarak kabul edilir; yine de, esansiyelliğini kanıtlamak zordur, çünkü silikon çok yaygındır ve bu nedenle silikon , eksiklik belirtilerinin çoğaltılması zordur.

Silikon şu anda "Amerikan Bitki Gıda Kontrol Yetkilileri Birliği (AAPFCO) tarafından bitki açısından yararlı bir madde" statüsüne yükseltilmektedir.

Emniyet

İnsanlar işyerinde nefes alarak, yutarak veya cilt veya gözle temas ederek elementer silikonlara maruz kalabilirler. Son iki durumda, silikon tahriş edici olarak hafif bir tehlike oluşturur. Solunduğunda tehlikelidir. İş Sağlığı ve Güvenliği İdaresi (OSHA), işyerinde silikon maruziyeti için yasal sınırı, 8 saatlik bir iş günü boyunca 15 mg/m3 toplam maruz kalma ve 5 mg/m3 solunum maruziyeti olarak belirlemiştir. Ulusal İş Sağlığı ve Güvenliği Enstitüsü (NIOSH), 8 saatlik bir iş gününde 10 mg/m3 toplam maruz kalma ve 5 mg/m3 solunum maruziyeti için önerilen maruz kalma limiti (REL) belirlemiştir. Kristalin silika tozunun solunması, akciğerlerin üst loblarında nodüler lezyonlar şeklinde iltihaplanma ve iz bırakma ile işaretlenmiş mesleki bir akciğer hastalığı olan silikoza yol açabilir.