CALM/arwiki huggingface dataset:
خمّن أنطوان لافوازييه سنة 1787 أنّ السيليكا قد تكون أكسيداً لعنصر كيميائي أساسي؛ إلّا أنّ الألفة الكيميائية المرتفعة للسيليكون تجاه الأكسجين مرتفعة بشكل كبير، فلم يتمكّن بواسطة الوسائل المتاحة لديه آنذاك من اختزال الأكسيد وعزل هذا العنصر على شكله الحرّ. ثمّ توالت المحاولات بهدف الحصول عليه، ومنها محاولة همفري ديفي سنة 1808، والتي قام حينها باقتراح تسمية «» لهذا العنصر، وذلك من الكلمة اللاتينية «» بمعنى حجر الصوان، مع إضافة اللاحقة «» للاسم، إذ اعتقد أنّه من الفلزّات. لا تزال هذه التسمية معتمدة كاسم للعنصر في بعض اللغات، مثل الألمانية «» والتركية «» والكتالونية «». أمّا في بعض اللغات الأخرى فتُستخدَم ترجمة اقتراضية للجذر اللاتيني للإشارة إلى حجر الصوان، كما في الروسية والفنلندية والتشيكية. أمّا تسمية «سيليكون» فقد اقترحها الكيميائي الإسكتلندي توماس تومسون سنة 1817؛ فحافظ على الأصل اللغوي الذي استخدمه ديفي في تسميته، ولكنه أضاف اللاحقة «»، لاعتقاده أنّ السيليكون هو من اللافلزات، على غرار البورون والكربون.
يُعتَقد أنّ السيليكون اللابلّوري كان قد حُضّر من قبل لوي جوزيف غي ـ لوساك ولوي جاك تينار سنة 1811، وذلك من خلال تسخين فلز البوتاسيوم مع رباعي فلوريد السيليكون؛ لكنّهما لم يقوما بتنقية الناتج أو وصفه بدقّة أو بتمييزه على أنّه عنصر كيميائي جديد. تمكّن يونس ياكوب بيرسيليوس من تحضير السيليكون اللابلّوري سنة 1823، وذلك باستخدام طريقة شبيهة تقريباً بالطريقة التي اتّبعها غي-لوساك، وذلك باختزال سداسي فلوروسيليكات البوتاسيوم بمصهور البوتاسيوم، ولكنّه قام بالتنقية بإعادة غسل الناتج لعدّة مرّات؛ ولذلك فإنّ الفضل في اكتشاف هذا العنصر يُنسَب إليه. وفي السنة ذاتها تمكّن بيرسيليوس من تحضير رباعي كلوريد السيليكون؛ في حين أنّ مركّب رباعي فلوريد السيليكون كان معروفاً ومُحَضّراً من ذي قبل، إذ تمكّن كارل فلهلم شيله من إنجاز ذلك سنة 1771 حين قام بحلّ السيليكا في حمض الهيدروفلوريك.
لم يُحضَّر الشكل البلّوري من السيليكون إلّا بعد مضي 31 سنة، حين تمكّن هنري إتيان سانت كلير ديفيل من فعل ذلك أثناء تجاربه لتحضير الألومنيوم؛ وذلك بالتحليل الكهربائي لمزيج من كلوريد الصوديوم وكلوريد الألومنيوم المُشوّب بقرابة 10% من السيليكون، فحصل على شكل بلّوري غير نقي من السيليكون قرابة سنة 1854. طُوّرت لاحقاً طرق أكثر اقتصادية من أجل عزل متآصلات هذا العنصر؛ كما استمرّت الأبحاث في كيمياء السيليكون، فاكتشف فريدرش فولر مركّبات هيدريد السيليكون المتطايرة، واصطنع ثلاثي كلورو السيلان سنة 1857، ثمّ مركّب السيلان سنة 1858. كما قام شارل فريدل وجيمس كرافتس سنة 1863 بتحضير أوّل مركّب سيليكون عضوي، وهو رباعي إيثيل السيلان. في أوائل القرن العشرين تمكّن العلماء من إجراء دراسات أوسع على مركّبات السيليكون لمعرفة خواصها، فكرّس ألفرد شتوك أبحاثه لدراسة مركّبات السيلانات؛ في حين تخصّص فريدريك كيبنغ بدراسة مركّبات السيليكون العضوية.
ساهم التطوّر في مختلف مناحي العلوم في زيادة فهم كيمياء السيليكون، فنجح وليام لورنس براغ بفضل أعماله على دراسة البلّورات بالأشعّة السينية في شرح بنية السيليكات؛ كما ساعد لينوس باولنغ في تقدّم كيمياء البلّورات، وفيكتور غولدشميت في تطوير مفاهيم الجيوكيمياء. شهد أواسط القرن العشرين تطوّر المعارف الصناعية فيما يخصّ السيلوكسانات والبوليميرات السيليكونية المرنة. في أواخر القرن العشرين جرى التمكّن من فهم البنية البلّورية للسيليسيدات، بالإضافة إلى فهم المبدأ الفيزيائي عند إشابة أشباه الموصلات.
أشباه الموصلات السيليكونية.
لم يتضمّن أوّل جهاز شبه موصل عنصر السيليكون؛ لأنّه كان مصنوعاً من الغالينا (زرنيخيد الرصاص)، بما في ذلك المكشاف البلّوري الذي اخترعه كارل فرديناند براون سنة 1874، والآخر الذي اخترعه جاجاديش تشاندرا بوس سنة 1901. أمّا أوّل جهاز شبه موصل مصنوع من السيليكون فكان من اختراع غرينليف ويتتير بيكارد سنة 1906. في سنة 1940 اكتشف راسل أُول وصلة الموجب والسالب والتأثير الضوئي الجهدي في السيليكون؛ وفي سنة 1941 جرى تطوير التقنيات لإنتاج بلّورات أحادية مفردة من السيليكون والجرمانيوم لأغراض عسكرية أثناء الحرب العالمية الثانية. في سنة 1947 قادت أبحاث وليام شوكلي وجون باردين ووالتر براتين إلى تصنيع أوّل ترانزستور، والذي كان يعمل على مبدأ التلامس النقطي؛ ممّا أدّى إلى حصولهم على جائزة نوبل في الفيزياء؛ لكنّه كان مصنوعاً من الجرمانيوم. لاحقاً وفي سنة 1954 تمكّن من تصنيع أوّل ترانزستور ثنائي القطب من السيليكون في مختبرات بل. في سنة 1955 وفي مختبرات بل أيضاً اكتشف كلّ من و ، أنّه يمكن لثنائي أكسيد السيليكون أن ينمو على السيليكون؛ ثمّ اقترحا لاحقاً أنّه يمكن بذلك حجب أسطح السيليكون أثناء عمليّات الانتشار الجزيئي.؛
في السنوات الأولى في صناعة أشباه الموصلات وحتى نهايات خمسينيات القرن العشرين كان الجرمانيوم هو العنصر السائد في تركيب الترانزستورات وأجهزة أشباه الموصلات الأخرى؛ وذلك نظراً للاعتقاد أنّ أداء الجرمانيوم أفضل من غيره بسبب قدرته على إظهار خواص أفضل فيما يتعلّق بحركية الإلكترون. لم يكن أداء الترانزستورات المصنوعة من السيليكون مرضياً في البدايات بسبب محدودية الموصلية الكهربائية، وذلك نظراً لعدم استقرار الحالات السطحية الإلكترونية كمومياً، إذ أن الإلكترونات كانت تحتجز بسبب الروابط المتدلية الناشئة عند السطح.
حدثت قفزة نوعية في صناعة أشباه الموصلات السيليكونية عندما تمكّن المهندس محمد عطا الله من تطوير عملية التخميل السطحي بواسطة الأكسدة الحرارية في مختبرات بل في أواخر خمسينيات القرن العشرين، عندما اكتشف أنّ تشكيل طبقة من أكسيد السيليكون على سطح السيليكون حرارياً قلّل بشكل كبير من تركيز السويات الإلكترونية عليه، ممّا أدّى إلى زيادة الاستقرار الإلكتروني لأسطح السيليكون. نشر عطا الله نتائج أبحاثه بين سنتي 1957 و1958؛ وكان لذلك تأثير كبير على صناعة أشباه الموصلات السيليكونية، فقد تفوّق السيليكون بذلك على الجرمانيوم؛ ، ومهّد الطريق لحدوث ثورة السيليكون؛ ولقد تمثّل ذلك لاحقاً في اختراعه لترانزستور موسفت مع زميله داون كانغ سنة 1959؛ بالإضافة إلى فتح الباب إلى حدوث تطور في صناعة أشباه الموصلات السيليكونية مثل التقنية السطحية التي طوّرها جان هورني في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات سنة 1958؛ وكذلك لاختراع الدارة المتكاملة من قبل روبرت نويس سنة 1959. تطوّر الأمر لاحقاً لاعتماد شكل موحّد في إدماج رقائق السيليكون في تصنيع عناصر أشباه الموصلات في الدارات المتكاملة.
العصر السيليكوني.
يشير مصطلح «العصر السيليكوني» (أو عصر السيليكون) إلى الفترة الزمنية أواخر القرن العشرين وأوائل القرن الحادي والعشرين؛ وذلك نظراً لكون السيليكون العنصر المهيمن والسائد في عصر المعلومات، وذلك بشكل مشابه لتسميات عصور اقترنت بالمواد السائدة حينها، مثل العصر الحجري والعصر البرونزي والعصر الحديدي في نظام العصور الثلاث الموافق. أدّى اختراع الموسفت إلى إطلاق شرارة الثورة الرقمية وثورة المعلومات؛ كما مكّن صغر حجمه من زيادة الإنتاج بشكل أسي، ودخول الترانزستور في مختلف مناحي الحياة اليومية. كما ازداد عدد الشركات المختصّة في تقنيات أشباه الموصلات بشكل كبير، فأُطلِقَت تسميات حاوية على لفظ السيليكون للإشارة إلى تجمّعها، وأشهر مثال على ذلك هو وادي السيليكون في ولاية كاليفورنيا الأمريكية.
يأتي السيليكون في المرتبة الثامنة تبعاً لترتيب وفرة العناصر الكيميائية في الكون؛ أمّا في كوكب الأرض فيشكّل السيليكون 27.7% من وزن القشرة الأرضية، وهو يأتي بذلك في المرتبة الثانية بعد الأكسجين (45.5% وزناً). وينتشر السيليكون بشكل كبير على هيئة ثنائي أكسيد السيليكون، إن كان على هيئة الرمل، أو على شكل معادن، والتي يًصنّف بعضها ضمن الأحجار الكريمة مثل المرو (الكوارتز)، أو الجمشت (الأماثيست)، أو العقيق، أو اليشب، أو الأوبال. ينتشر السيليكون أيضاً في القشرة الأرضية على شكل معادن السيليكات المختلفة، والتي تدخل في تركيب الصخور، مثل الميكا والأسبست والصلصال والفلسبار والحجر الرملي. يمكن أن يُعثَر على السيليكون أحياناً على شكل عنصر طبيعي حرّ في عدّة أماكن من العالم.
يدخل السيليكون أيضاً في تركيب الطبقات الأعمق، حيث جرى التباين أثناء نشوء كوكب الأرض؛ فتحوي نواة الأرض على التركيب التقريبي Fe25Ni2Co0.1S3؛ أمّا الوشاح فيتألّف بشكل أعظمي من أكاسيد كثيفة ومن معادن السيليكات مثل الأوليفين؛ أمّا المعادن السيليكونية الأخفّ مثل الألومينوسيليكات فهي تدخل في تركيب القشرة. إنّ تبلور الصخور النارية من الصهارة (الماغما) يعتمد على عددٍ من العوامل، منها التركيب الكيميائي للصهارة، ومعدّل التبرّد، والخواص الذاتية المميّزة للمعادن الداخلة في تركيب تلك الصخور ويشمل ذلك طاقة الشبكة البلورية ونقطة الانصهار ودرجة تعقّد البنية البلورية. عندما تتبرّد الصهارة فإنّ الأوليفين هو أوّل ما يتشكّل، يتبعه البيروكسين والأمفيبول وميكا البيوتيت والأورثوكلاس وميكا المسكوفيت والمرو (الكوارتز) والزيوليت، ثم أخيراً المعادن الهيدروحرارية. يُبدي هذا التتابع نزعةً باتجاه تعقّد بنية وحدات السيليكات إبّان التبرّد، كما يبدي أيضاً دخول أنيونات الفلوريد بالإضافة إلى الأكاسيد في البنية؛ علاوةً على ذلك فإنّ التحوّل الحاصل عند درجات حرارة وضغوط مرتفعة يؤدّي إلى حدوث تنوّع أكبر من معادن السيليكات.
تحوي المحيطات كمّيّة معتبرة من السيليكون، وذلك غالباً على شكل حمض السيليسيك؛ والذي ينشأ عبر ما يُعرَف باسم «دورة السيليكا»، وفيها تتفاعل معادن السيليكات، مثل سيليكات الكالسيوم، بشكل مستمرّ مع حمض الكربونيك المنحلّ في مياه المحيطات، ليتشكّل في البداية ميتّا حمض السيليسيك غير المنحلّ:
والذي يتفاعل مع حمض الكربونيك لاحقاً ليشكّل أورثو حمض السيليسيك المنحلّ:
يتفكّك حمض السيليسيك ليعطي ثنائي أكسيد السيليكون والماء، ثم يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع ثنائي أكسيد السيليكون لتنغلق الدورة بتشكّل سيليكات الكالسيوم؛ مع العلم أن انغلاق هذه الدورة يتطلّب مرور عدّة ملايين من السنين:
هناك أربعة مصادر لتدفّق السيليكون إلى المحيطات، وتتضمّن التجوية الكيميائية للصخور على اليابسة وكذلك النقل عبر الأنهار، وانحلال الرواسب البرية، بالإضافة إلى التفاعل بين البازلت المغمور وبين التيارات الحرمائية. تتداخل مصادر السيليكون تلك مع الدورة الحيوية الجيوكيميائية ضمن المحيطات. إنّ قرابة ربع كمّيّة غبار الرمال المهبوب إلى المحيطات هو على شكل جسيمات دقيقة من السيليكون، وتقدّر تلك الكمّيّة بين 80-240 ميغاطن. ولكن تلك النسبة تبقى أقلّ من كمّيّة تدفّق السيليكون إلى المحيطات عبر النقل النهري. تأتي كمّيّات الغبار الرملي إلى القسم الشمالي من المحيط الأطلسي والمحيط الهادي من الصحراء الكبرى وصحراء جوبي، على الترتيب.
السيليكا.
السيليكا هي الاسم الشائع لمركّب ثنائي أكسيد السيليكون SiO2، وهي توجد في الطبيعة في عدّة ترتيبات بلّورية مختلفة، وأكثرها شيوعاً نمط الكوارتز (المرو)، وهو مكوّن رئيسي في العديد من الصخور مثل الغرانيت والحجر الرملي. يوجد الكوارتز في الشكل النقي على هيئة (البلّور الصخري) ، أمّا الأشكال غير النقية فهي تعرَف تحت أسماء والكوارتز الدخاني (أو الموريون) والجمشت (الأميثيست) والسترين . توجد أنواع أخرى معروفة ضعيفة التبلور للكوارتز مثل العقيق بأصنافه من العقيق الأبيض والعقيق الأحمر (الينع) والعقيق اليماني، وكذلك اليشب والكريسوبراس وحجر الدم (الهليوتروب) وحجر الصوان. توجد هناك تحويرات أخرى لثنائي أكسيد السيليكون في عددٍ من المعادن، والتي تتضمّن التريديميت والكريستوباليت، بالإضافة إلى معادن أخرى أقلّ شهرة مثل الكوزيت والستيشوفيت. توجد السيليكا أيضاً على شكل تراب ناعم، فهي المكوّن الرئيسي في تراب المشطورات (الدياتوميت)، كما توجد على شكل مزجّج في معدن التكتيت وحجر السبج (الأوبسديان) ، وعلى شكل نادر في معدن الليتشاتيليريت. هناك أنماط مصطنعة أيضاً من السيليكا، مثل الكيتيت. كما يتألّف الأوبال من تكتّلات بلّورية معقّدة من ثنائي أكسيد السيليكون المُميَّه جزئياً.
معادن السيليكات.
إنّ قرابة 95% من صخور القشرة الأرضية مكونة من السيليكا أو معادن السيليكات أو الألومينوسيليكات، وهذا ينعكس على كون عناصر الأكسجين والسيليكون والألومنيوم الأكثر وفرةً في القشرة الأرضية، على الترتيب. يمكن لمعادن السيليكات والألومينوسيليكات أن تتباين تبعاً للبنية وعند قياس اتحادية العناصر، وبذلك يمكن تصنيفها اعتماداً على مبادئ بنيوية عامة. يكون لتكرار وحدات {SiO4} رباعية السطوح الأمر المشترك بين جميع تلك المركّبات، وذلك إمّا على شكل بنىً منفصلة بحدّ ذاتها، أو مشتركة مع بعضها ضمن وحدات أكبر بالاشتراك بذرّات الأكسجين الموجودة على الرؤوس. بالتالي يمكن تقسيم السيليكات إلى ، وهي ذات وحدات {SiO4} متمايزة، ولا تشترك بذرّات أكسجين؛ وإلى ، وهي ذات وحدات {Si2O7} متمايزة، وتشترك بذرّة أكسجين واحدة؛ وإلى (سيكلوسيليكات) ، وهي ذات بنى حلقية مغلقة؛ وإلى ، وهي ذات بنية حلقية مستمرة أو على شكل شريطي، وتشترك بذرّتي أكسجين؛ وإلى وهي ذات بنى صفائحية مستمرة، وتشترك بثلاث ذرّات أكسجين؛ وإلى ، وهي ذات هياكل ثلاثية الأبعاد مستمرّة، وتشترك بأربع ذرّات أكسجين.
تنتمي مركّبات الأورثوسيليكات ، والتي تحمل الصيغة العامة M2SiO4 من فصيلة النيزوسيليكات، وهي تختلف بعدد المواقع التناسقية حسب الفلزّ المرافق M، ففي أوروثوسيليكات البيريليوم (الفيناكيت) هناك أربع مواقع تناسقية؛ أمّا باقي الفلزّات، مثل المغنيسيوم والمنغنيز والحديد والزنك، فهناك ستّة مواقع تناسقية، كما في الزبرجد الزيتوني (الأوليفين)؛ في حين أنّ الزركونيوم يتطلّب ثمانية مواقع تناسقية كما هو الحال في الزركون ZrSiO4، وذلك بسبب كبر نصف القطر الأيوني (84 بيكومتر) لأيون الزركونيوم الرباعي. أمّا مركّبات الميتاسيليكات السلسلية {SiO} فهي تتشكّل من تشارك زوايا سلسلة لامتناهية من رباعيات السطوح {SiO4}؛ ولكن تظهر هناك تباينات نظراً لاختلاف المسافات المتكرّرة للتشكيل الهندسي على طول خطّ رباعيات السطوح. ولكن أكثر مسافة تكرار شيوعاً هي 2، كما هو الحال في معادن البيروكسين، على الرغم من أنّ مسافات تكرار من 1 أو 3 أو 4 أو 5 أو 6 أو 7 أو 9 هي معروفة أيضاً. يمكن لتلك السلاسل أن تتشابك مع بعضها لتشكّل سلاسل مزدوجة أو شرائط، كما هو الحال في معادن الأسبست، والتي تتضمّن أيضاً سلاسل متكرّرة من حلقات رباعية السطوح.
إنّ السيليكات الطبقية، مثل معادن الصلصال والميكا، هي شائعة جداً، وهي غالباً ما تتشكّل من التشابك الأفقي لسلاسل الميتاسيليكات ، أو من التكاثف المستوي للوحدات الأصغر. مثال على ذلك هو معدن الكاولينيت [Al2(OH)4Si2O5]، والذي يمكن أن تحدث فيه استبدالات مختلفة، بأن يَحلّ أنيون الفلوريد مكان الهيدروكسيل، أو كاتيون المغنيسيوم الثنائي مكان الألومنيوم الثلاثي، وغير ذلك. من جهة أخرى، فإنّه عادةً ما يكون الهيكل ثلاثي الأبعاد من الألومينوسليكات معقّداً جدّاً، ويمكن أن يُبَسّط فهمها انطلاقاً من بنية SiO2 ثلاثية الأبعاد، ثم استبدال نصف ذرات السيليكون الرباعي IVSi بذرّات ألومنيوم ثلاثي IIIAl، ممّا يتطلّب وجود كاتيونات إضافية مقابلة لتعديل الشحنة الكهربائية. تتضمّن الأمثلة عليها كلّ من معادن الفلسبار (وهي أكثر صنف من المعادن انتشاراً على الأرض) والزيوليت، وكذلك صبغة اللازورد.
يمكن أن يُنتَج السيليكون بدرجات نقاوة مختلفة، وذلك حسب مجال التطبيق اللاحق له؛ فيُميّز بين (98–99 %)؛ و (للاستخدام في الخلايا الشمسية يجب أن تكون نسبة الشوائب أقلّ من 0.01%)؛ و (نسبة الشوائب أقلّ من جزء واحد في 1010 جزء). تستخدم درجة النقاوة الإلكترونية في صناعة أشباه الموصلات؛ وفي بعض الحالات الخاصّة ينبغي أن تكون نسبة الشوائب أقلّ من جزء واحد في 1210 جزء. .
السيليكون الخام.
يُنتَج السيليكون بنقاوة تتراوح بين 96–99% من اختزال الكوارتزيت أو الرمل باستخدام فحم الكوك النقيّ، وذلك داخل فرن القوس الكهربائي عند درجات حرارة تصل إلى قرابة 2000 °س، مع وجود زيادة من ثنائي أكسيد السيليكون SiO2 من أجل إيقاف كربيد السيليكون SiC من التجمّع والتكتّل:
يُعرَف هذا التفاعل باسم «الاختزال الكربوحراري» لثنائي أكسيد السيليكون، وهو عادةً ما يجرى بوجود خردة الحديد مع وجود كمّيّات ضئيلة من الفوسفور والكبريت، ممّا يؤدّي إلى الحصول على سبيكة الفرّوسيليكون. وهي سبيكة مكوّنة من الحديد والسيليكون بنسب متفاوتة، وتعدّ الشكل الرئيس الذي يُنتَج ويُسوَّق فيه السيليكون، لأنها تشكّل قرابة 80% من الإنتاج العالمي له.
تعدّ الصين الرائدة في إنتاج السيليكون على هذا الشكل، وذلك بطاقة إنتاج تصل إلى 4.6 مليون طنّ سنوياً (ما يعادل ثلثي الإنتاج العالمي)؛ تليها روسيا (610 آلاف طنّ)، ثمّ النرويج (330 ألف طنّ)، ثمّ البرازيل (240 ألف طنّ)، ثمّ الولايات المتحدة الأمريكية (170 ألف طنّ)؛ وذلك وفق بيانات سنة 2011. يُستحصَل على السيليكون وفق هذه الأساليب بدرجة نقاوة تعدينية؛ ويُستخدَم بشكل أساسي في صناعة الحديد والفولاذ؛ وكذلك في إنتاج السيلانات وفق عملية مولر-روتشو، والتي تُستخدَم في تحضير السيليكونات.
تتضمّن الأساليب الأخرى لإنتاج السيليكون بدرجة نقاوة تعدينية كلّ من عملية «الاختزال الألومينوحراري»، والتي يستخدم فيها الألومنيوم لاختزال ثنائي أكسيد السيليكون:
وكذلك إجراء عملية تفكك حراري لمركّب السيلان أو رباعي يوديد السيليكون؛ أو اختزال سداسي فلوروسيليكات الصوديوم باستخدام فلزّ الصوديوم.
سيليكون الخلايا الشمسية.
تتطلّب صناعة الخلايا الشمسية أن يكون السيليكون بدرجة نقاوة أعلى من 99.99%؛ يمكن الوصول إلى تلك النسبة عن طريق اختزال رباعي كلوريد السيليكون أو ثلاثي كلورو السيلان. يمكن الحصول على تلك المركّبات الكلورية من السيليكون بمعالجة السيليكون الخام ذي درجة النقاوة التعدينية بغاز كلوريد الهيدروجين عند درجات حرارة تتراوح بين 300–350 °س، داخل مفاعل فرشة مُمَيّعة:
تعدّ المركّبات الكلورية للسيليكون من المركّبات المتطايرة، بالتالي يمكن تنقيتها بتكرار عملية التقطير بالتجزئة؛ ثمّ بإجراء عملية تفكيك حراري لتلك المركّبات النقية عند درجات حرارة تتراوح بين 1000–1200 °س؛ أو بإجراء عملية اختزال حراري باستخدام بخار الزنك عالي النقاوة عند درجات حرارة قرابة 950 °س.
يمكن إجراء عملية استحصال السيليكون دون الحاجة إلى استخدام المشتقّات الكلورية وذلك وفق عملية تفكك حراري لمركّب السيلان:
سيليكون شبه الموصلات.
ينبغي أن يكون السيليكون المستخدم في هندسة الإلكترونيات الدقيقة ذا نقاوة مرتفعة للغاية ()؛ فعلى سبيل المثال تُسوِّق شركة شين-إتسو للكيماويات اليابانية لبلّورات مخلقة أحادية من السيليكون بنقاوة 99.999999999%. للوصول إلى درجة النقاوة المرتفعة جدّاً هذه يُعالَج السيليكون الخامّ المتوفّر على شكل كتل إسفنجية من عمليات التحضير السابقة وفق أساليب خاصّة من أجل تشكيل بلّورات أحادية مفردة أسطوانية الشكل وفق عملية تشوخرالسكي؛ أو أن تخضع لعملية تنقية لاحقة وفق أسلوب الصهر النطاقي.
وفق عملية تشوخرالسكي يؤخَذ سيليكون الخلايا الشمسية ويُصهَر في بواتق من الكوارتز النقي؛ ثم توضَع نواة تبلور من بلّورة سيليكون مرتفع النقاوة في المصهور ثم تُدوّر وتُسحَب إلى الأعلى ببطء، وبذلك يتبلور السيليكون على هيئة بلّورة أحادية منفردة، وتبقى الشوائب في المصهور الموجود في البوتقة. يعتمد المبدأ الفيزيائي لعملية التنقية هذه على انخفاض نقطة التجمّد، وعلى ميل المواد للتبلور على شكل نقي. أمّا في أسلوب الصهر النطاقي فيُستخدَم التسخين بالحثّ الكهرومغناطيسي لتسخين السيليكون وصهره، ثمّ بتمرير بلورة مخلقة أحادية من السيليكون على تماس مباشر على سطح المصهور، ممّا يؤدّي إلى هجرة الشوائب إلى الطور السائل، ويبقى السيليكون بدرجة نقاوة مرتفعة. يُسوّق الشكل النهائي من السيليكون مرتفع النقاوة على شكل رقائق .
يُستخدَم السيليكون بدرجة النقاوة الإلكترونية في صناعة المعالجات ووسائط تخزين البيانات والترانزستورات وغيرها. من أجل استخدامه في تلك التطبيقات الإلكترونية ينبغي أن يتمتّع السيليكون بخواص شبه موصلة، ولذلك فإنّه يُشاب بذرّات عناصر أخرى ملائمة مثل الإنديوم أو الإثمد أو الزرنيخ أو البورون أو الفوسفور؛ ممّا يؤدّي إلى نشوء ظاهرة وصلة الموجب والسالب، ممّا يؤدي بالتالي إلى إمكانية التحكّم الإلكتروني، وهذا ما يجعله ملائماً لتصنيع عناصر أشباه الموصلات. يمكن أن يُحوّل السيليكون اللابلوري بواسطة ليزر إكسيمر إلى سيليكون متعدّد التبلور، وذلك له أهمية في صناعة ترانزستور الغشاء الرقيق على سبيل المثال.
التحضير المخبري.
يمكن الحصول على السيليكون مخبرياً من اختزال ثنائي أكسيد السيليكون أو رباعي فلوريد السيليكون باستخدام فلزّات المغنيسيوم أو الألومنيوم:
كما يمكن الحصول على السيليكون اللابلوري من السيليسيدات:
يتكوّن السيليكون المتوفّر طبيعياً من 3 نظائر مستقرة ألا وهي سيليكون-28 28Si (وفرة طبيعية 92.23%)، وسيليكون-29 29Si (وفرة طبيعية 4.67%)، وسيليكون-30 30Si (وفرة طبيعية 3.10%). ومن بين هذه النظائر، فإنّ السيليكون-29 29Si هو ما يستخدم في الرنين النووي المغناطيسي والرنين المغناطيسي الإلكتروني؛ لأنّه الوحيد الذي لديه مغزل نووي ("I" = ). تُنتَج هذه النظائر الثلاثة جميعها في المستعرات الأعظمية من النوع Ia؛ وذلك من خلال عملية احتراق الأكسجين؛ كما يُنتَج النظير 28Si في عملية ألفا، ولذلك فهو الأكثر وفرة. تُعرَف عملية اندماج نوى السيليكون-28 28Si مع جسيمات ألفا أثناء عمليات إعادة الترتيب المرافقة للانحلال الضوئي في النجوم باسم «عملية احتراق السيليكون»، وهي المرحلة الأخيرة في تفاعلات الانصهار النجمي قبل الانهيار السريع والانفجار السريع لتلك النجوم لتصبح مستعرات أعظمية من النوع 2.
هناك عشرون نظيراً مشعّاً للسيليكون، وأكثرها استقراراً هو السيليكون-32 32Si، ويبلغ عمر النصف له 153 سنة؛ والسيليكون-31 31Si، والذي يبلغ عمر النصف له 157.3 دقيقة. إنّ جميع النظائر المشعّة المتبقيّة لا يتجاوز لها عمر النصف السبع ثوان، ومعظم أعمار النصف تلك أقلّ من عُشر الثانية. يوجد هناك مصاوغ نووي وحيد للسيليكون (34mSi)، ويبلغ عمر النصف له أقل من 210 نانوثانية. يخضع النظير 32Si لاضمحلال بيتا ضعيف الشدّة إلى فوسفور-32 32P، ومنه إلى النظير المستقرّ كبريت-32 32S. يمكن أن ينتج النظير سيليكون-31 31Si من التنشيط النيوتروني للسيليكون الطبيعي، وهذا ما يجعله مفيداً في مجال التحليل الكمي، إذ يمكن الكشف عنه بسهولة من اضمحلال بيتّا النمطي إلى النظير فوسفور-31 31P، ويحمل الإلكترون المنبعث طاقة مقدارها 1.48 ميغا إلكترون فولت. يتراوح متوسط عدد الكتلة لنظائر السيليكون بين 22 إلى 44؛ ونمط الاضمحلال المشترك للنظائر التي أعداد كتلتها أقلّ من السيليكون-28 هو نمط β+، مشكّلاً في المقام الأول نظائر الألومنيوم (13 بروتون) كنواتج اضمحلال. أمّا نمط التحلّل الأكثر شيوعًا للنظائر التي أعداد كتلتها أكبر من السيليكون-30 فهو β−، وفيه تتشكّل في المقام الأول نظائر الفوسفور (15 بروتون) كنواتج اضمحلال.
يمكن للسيليكون أن يصل إلى المحيطات عبر المياه الجوفية والنقل النهري. تتوفر الواردات الضخمة من المياه الجوفية على تركيب نظائري مميّز عن واردات النقل النهري؛ ويساهم ذلك التباين النظائري بين المياه الجوفية ومياه النقل البحري في حدوث اختلاف في قيم النظير سيليكون-30 30Si، وذلك يستخدم كمقياس للنشاط الجيولوجي في المحيطات.
يوجد السيليكون في الشروط القياسية من الضغط ودرجة الحرارة على شكل صلب رمادي ذي بريق أزرق، وهو يُصنّف ضمن أشباه الفلزات. يظهر السيليكون خاصّية التمدّد الحراري السلبي مثل الماء، أي أن كثافته في الطور السائل أعلى بقرابة 10-11% من قيمتها في الطور الصلب.
لذرّة السيليكون أربعة عشر إلكتروناً؛ وهي تكون في الحالة القاعية ذات توزيع إلكتروني على الشكل Ne] 3s2 3p2]. إذاً توجد أربعة إلكترونات تكافؤ في الغلاف الإلكتروني الخارجي، بالتالي بإمكان ذرّة السيليكون أن تحقّق قاعدة الثمانيات وأن تتبنّى الترتيب الإلكتروني المستقرّ للآرغون بتشكيل أربع روابط تساهمية لتعطي مركّبات كيميائية على النمط SiX4، والتي يكون لها بنية جزيئية رباعية السطوح ذات تهجين مداري من النمط sp3، تحتلّ فيها ذرّة السيليكون المركز، والذرّات الأربع الأخرى على قمم رباعي السطوح. تبلغ قيم أوّل أربع طاقات تأين للسيليكون 786.3 و 1576.5 و 3228.3 و 4354.4 كيلوجول/مول، على الترتيب. تعدّ تلك القيم مرتفعة بالشكل الكافي لاستثناء احتمالية أن تكون كيمياء هذا العنصر ذات سمة أيونية؛ إذ تهيمن عليها السمة التساهمية بالفعل. بالنظر إلى الاتجاهات الدورية فإنّ نصف قطر ذرّة السيليكون في روابطها التساهمية الأحادية (117.6 بيكومتر) يقع وسطاً بين تلك القيم الموافقة لذرّة الكربون (77.2 بيكومتر) ولذرّة الجرمانيوم (122.3 بيكومتر)؛ في حين أنّ القيمة الافتراضية لنصف القطر الأيوني لذرّة السيليكون قد تكون قرابة 40 بيكومتر.
يتبلور السيليكون في الشروط القياسية على شكل بنية تساهمية ضخمة على هيئة شبكة بلّورية ثلاثية الأبعاد لها بنية الألماس المكعّبة، ممّا يفسّر الارتفاع النسبي لنقطة الانصهار (1414 °س)، إذ يتطلّب تكسير هذه الروابط التساهمية وتحطيمها الكثير من الطاقة. لا توجد متآصلات من السيليكون عند الضغوط العادية؛ إلّا أنّه يتبنّى أشكالاً بلّورية مختلفة عند ضغوط مرتفعة؛ إذ تؤدّي زيادة الضغط إلى زيادة العدد التناسقي، ممّا يولّد متآصلاً ذا تعبئة متراصّة عند قرابة 40 غيغاباسكال. يغلي السيليكون عند 3265 °س، ورغم الارتفاع النسبي لتلك القيمة فإنها تبقى أقلّ من قيمة نقطة تسامي مجانسه الكربون (3642 °س)؛ كما أنّ للسيليكون حرارة تبخّر أقلّ من الكربون، وذلك يتوافق مع حقيقة أنّ الرابطة Si–Si أضعف من الرابطة C–C. بيّنت الأبحاث أنّه بالإمكان إنشاء بنية من رقائق السيليسين بشكل مشابه للغرافين.
الخواص الإلكترونية.
ينتمي السيليكون إلى أشباه الموصلات، وتنخفض المقاومية مع ارتفاع درجة الحرارة، ويعود ذلك بسبب وجود فجوة نطاق طاقية صغيرة (1.107 إلكترون فولت) بين أعلى المستويات الطاقية المشغولة بالإلكترونات (نطاق التكافؤ) وبين أخفض المستويات الطاقية غير المشغولة بالإلكترونات (نطاق التوصيل). يقع مستوى فيرمي للسيليكون في منتصف المسافة تقريباً بين نطاقي التكافؤ والتوصيل، بالتالي فإنّ السيليكون النقي هو من المواد العازلة عند درجة حرارة الغرفة. بالمقابل، تؤدّي إشابة السيليكون بعنصر من مجموعة النتروجين (نكتوجين) مثل الفوسفور أو الزرنيخ أو الإثمد إلى توفير إلكترون فائض لكلّ ذرّة شائبة، ممّا يسهّل إثارة الإلكترونات إلى نطاق التوصيل إمّا بأسلوب حراري أو ضوئي، وذلك يولّد شبه موصل من النوع N. بشكل مشابه، فإنّ إشابة السيليكون بعنصر من مجموعة البورون مثل البورون أو الألومنيوم أو الغاليوم تؤدّي إلى توفير مستويات مستقبلة قادرة على التقاط واحتجاز الإلكترونات التي يمكن أن تثار من نطاق التوصيل الممتلئ، ممّا يولّد شبه موصل من النوع p. يؤدّي وصل سيليكون من النوع N مع سيليكون من النوع p إلى تشكيل وصلة الموجب والسالب، والتي تقوم بعمل ثنائي المساري، والذي ينظّم تدفّق الإلكترونات باتجاه واحد.
إنّ كتل السيليكون البلّوري عادةَ ما تكون خاملة، ولكنّها تصبح ذات نشاط كيميائي أكبر مع ارتفاع درجة الحرارة. وكما هو الحال مع جاره الألومنيوم فإنّ السيليكون يشكّل طبقة رقيقة سطحية من ثنائي أكسيد السيليكون SiO2 والتي تقيه من الأكسدة وتقوم بدور مخمّل. لذلك فإنّ السيليكون لا يتفاعل بشكل ملموس مع أكسجين الهواء عند درجات حرارة دون 900 °س، ولكن عند درجات حرارة أعلى من ذلك يزداد تشكّل طبقة برّاقة من ثنائي الأكسيد بشكل سريع بين درجتي 950 °س و 1160 °س؛ وعند الوصول إلى درجة الحرارة 1400 °س يمكن للنتروجين أن يتفاعل مع السيليكون ليشكّل مجموعة من النتريدات مثل SiN و Si3N4. يمكن للسيليكون أن يتفاعل مع بخار الكبريت عند الدرجة 600 °س، وبخار الفوسفور عند الدرجة 1000 °س. بالرغم من ذلك لا تستطيع طبقة الأكسيد تلك أن تمنع التفاعل مع الهالوجينات، فالفلور يهاجم السيليكون بعنف عند درجة حرارة الغرفة، أمّا الكلور فيقوم بذلك عند الدرجة 300 °س، في حين أنّ البروم واليود يهاجمان السيليكون عند الدرجة 500 °س. لا يتفاعل السيليكون مع أغلب الأحماض الممدّدة، ولكنه يتأكسد ويتعقّد مع مزائج حمض الهيدروفلوريك الحاوية على الكلور أو حمض النتريك ليشكّل الفلوروسيليكات الموافقة. من جهةٍ أخرى فإنّ السيليكون ينحلّ في محاليل القلويات الساخنة ليشكّل السيليكات الموافقة. عند درجات حرارة مرتفعة يتفاعل السيليكون مع هاليدات الألكيل باستخدام النحاس حفّازاً من أجل الحصول على كلوريدات السيليكون العضوية، والتي تعدّ مواداً أوّلية لتحضير البوليميرات السيليكونية. عند انصهاره يصبح السيليكون ذا نشاط كيميائي وتفاعلية كبيرة للغاية، وهو يشكّل سبائك مع أغلب الفلزّات ليشكّل السيليسيدات الموافقة؛ كما أنّه قادر بتلك الحالة المنصهرة على أن يختزل أغلب أكاسيد الفلزّات، لأنّ الحرارة القياسية لتكوين ثنائي أكسيد السيليكون كبيرة. ولذلك الأمر فإنّ الحاويات المخصّصة لمصهور السيليكون ينبغي أن تكون مصنوعة من مواد حرارية خاملة مثل ثنائي اكسيد الزركونيوم، أو البوريدات اللافلزّية.