Πυρίτιο

Ιστορία

Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂) τράβηξε την προσοχή του Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ (Antoine Lavoisier,), το 1787, που (σωστά) υποπτεύθηκε ότι είναι οξείδιο ενός (νέου για τότε) χημικού στοιχείου. Ύστερα από μια απόπειρα να απομονώσει το πυρίτιο (στη στοιχειακή του μορφή) το 1803, ο Σερ Χάμφρι Ντέιβι (Sir Humphry Davy) πρότεινε την ονομασία «silicium» για το πυρίτιο, από το λατινικό πρόθεμα «silex», που προέρχεται με τη σειρά του από τη λατινική λέξη «silicis», που στα ελληνικά σημαίνει πυρόλιθος, και την κατάληξη «-ium», που χρησιμοποιούνταν (τότε τουλάχιστον) για τα χημικά στοιχεία που θεωρούνταν ότι είναι μέταλλα. Οι Ζοζέφ Λουί Γκαι-Λυσάκ (Joseph Louis Gay-Lussac) και Λουί Ζακ Τενάρ ('Louis Jacques Thénard) θεωρείται ότι παρήγαγαν χημικά μη καθαρό άμορφο πυρίτιο, θερμαίνοντας πρόσφατα απομονωμένο μεταλλικό κάλιο (K) μαζί με τετραφθοριούχο πυρίτιο (SiF₄), αλλά δεν το καθάρισαν, δεν το χαρακτήρισαν, ούτε το ταυτοποίησαν ως ένα νέο (για τότε) χημικό στοιχείο. Η σημερινή αγγλόφωνη ονομασία του πυριτίου, δηλαδή «silicon», δόθηκε στο (νέο τότε χημικό στοιχείο) πυρίτιο το 1817, από το Σκώτο χημικό Τόμας Τόμσον (Thomas Thomson). Αυτή η ονομασία προήλθε από την ονομασία που έδωσε (στο στοιχείο) ο Σερ Χάμφρι Ντέιβι, αλλά ο Τόμας Τόμσον αντικατέστησε την κατάληξη «-ium» με την κατάληξη «-on», για να ταιριάζει με τις καταλήξεις των αμετάλλων χημικών στοιχείων βόριο (B, boron) και άνθρακα (C, carbon). To 1823 o Γιονς Γιάκομπ Μπερζέλιους (Jöns Jakob Berzelius) παρήγαγε άμορφο πυρίτιο χρησιμοποιώντας περίπου την ίδια μέθοδο με τους Ζοζέφ Λουί Γκαι-Λυσάκ και Λουί Ζακ Τενάρ, δηλαδή επίσης με μεταλλικό κάλιο, αλλά χρησιμοποίησε φθοροπυριτικό κάλιο (K₂SiF₆), ως πηγή πυριτίου. Επιπλέον καθάρισε το προϊόν που έλαβε με επανειλημμένες εκπλύσεις. Συνεπώς, συνήθως αυτός (ο Γιονς Γιάκομπ Μπερζέλιους) πιστώνεται την ανακάλυψη του πυριτίου.
Το πυρίτιο στην πιο συνηθισμένη του κρυσταλλική μορφή παράχθηκε για πρώτη φορά το 1854 από τον Χενρύ Έτιενν Σαιντέ-Κλαιρ Ντεβίλλ (Henri Étienne Sainte-Claire Deville). Ηλεκτρόλυσε μη καθαρό μικτό χλωρίδιο νατρίου και αργιλίου, που περιείχε περίπου 10% πυρίτιο. Έτσι ήταν ικανός να λάβει ελαφρώς μη καθαρή (την κρυσταλλική) αλλομορφή του πυριτίου το 1854. Αργότερα αναπτύχθηκαν πιο αποτελεσματικές οικονομικά μέθοδοι για την απομόνωση πυριτίου σε αρκετές αλλομορφές του, με πιο πρόσφατα παραχθείσα αλλομορφή το σιλικένιο.
Η Σίλικον Βάλλεϋ (Silicon Valley, Κοιλάδα Πυριτίου) φέρει το όνομα του πυριτίου από τότε το στοιχείο αυτό έγινε η βάση των τεχνολογιών ηλεκτρονικών υπολογιστών και των συγγενών βιομηχανιών. Άλλες γεωγραφικές τοποθεσίες που έχουν διασυνδέσεις με τις βιομηχανίες αυτές έχουν επίσης ως «συστατικό» της ονομασίας τους τη λέξη silicon. Σχετικά παραδείγματα περιλαμβάνουν τα ακόλουθα τοπωνύμια: Σίλικον Φόρεστ (Silicon Forest, Δάσος Πυριτίου) στο Όρεγκον, Σίλικον Χιλς (Silicon Hills, Λόφοι Πυριτίου) στο Ώστιν του Τέξας, Σίλικον Σάξονυ (Silicon Saxony, Σαξωνία Πυριτίου) στη Γερμανία, Σίλικον Βάλλεϋ στην Ινδία, Σίλικον Μπόρντερ (Silicon Border, Σύνορο Πυριτίου) στο Μεξικό, Σίλικον Φεν (Silicon Fen, Βάλτος Πυριτίου) στο Κέιμπριτζ της Αγγλίας, Σίλικον Ραουνταμπάουτ (Silicon Roundabout, Κυκλικός κόμβος Πυριτίου) στο Λονδίνο, Σίλικον Γκλεν (Silicon Glen, Λαγκάδι Πυριτίου) της Σκωτίας και Σίλικον Γκορτζ (Silicon Gorge, Φαράγγι Πυριτίου) στο Μπρίστολ της Αγγλίας.

Φυσική παρουσία

Δείτε επίσης: πυριτιούχα ορυκτά.
Το πυρίτιο αποτελεί το 7ο πιο άφθονο χημικό στοιχείο στο Σύμπαν, καθώς και το 27,7%, κατά μάζα, του φλοιού της Γης και είναι το δεύτερο (2ο) χημικό στοιχείο σε αφθονία στο φλοιό αυτό. Μόνο το οξυγόνο έχει μεγαλύτερη αφθονία. Το πυρίτιο συνήθως βρίσκεται σε μορφή σύνθετων πυριτιούχων ορυκτών, και λιγότερο συχνά με τη μορφή του διοξειδίου του πυριτίου (SiO₂), που είναι και το κύριο συστατικό της κοινής άμμου. Οι κρύσταλλοι χημικά καθαρού (στοιχειακού) πυριτίου βρίσκονται πολύ σπάνια στη φύση.
Τα διάφορα πυριτιούχα ορυκτά περιέχουν πυρίτιο, οξυγόνο και δραστικά μέταλλα και συνιστούν περίπου το 90% της μάζας του φλοιού της Γης. Αυτό συμβαίνει χάρη στο δεδομένο ότι οι χαρακτηριστικές για το «εσωτερικό» ηλιακό σύστημα υψηλές θερμοκρασίες, συνδυάζουν γρήγορα χημικά το πυρίτιο και το οξυγόνο, σχηματίζοντας δίκτυα στερεών ενώσεων πυριτίου και οξυγόνου με πολύ μικρή πτητικότητα. Εφόσον το οξυγόνο και το πυρίτιο είναι τα πιο συνηθισμένα μη αέρια και μη μεταλλικά χημικά στοιχεία στα συντρίμμια σκόνης υπερκαινοφανούς αστέρα, από τα οποία σχηματίστηκε ο πρωτοπλανητικός δίσκος, κατά το σχηματισμό και την εξέλιξη του ηλιακού συστήματος, σχηματίστηκαν πολλά σύμπλοκα πυριτίου και οξυγόνου που συνενώθηκαν σε μεγαλύτερους πετρώδεις πλανητοειδείς, από τους οποίους σχηματίστηκαν τελικά οι «γήινοι» (εσωτερικοί) πλανήτες. Επίσης, η μήτρα των πυριτιούχων ορυκτών παγίδευσαν και δραστικά μέταλλα, όπως αργίλιο (Al), ασβέστιο (Ca), νάτριο (Na), κάλιο (K) και μαγνήσιο (Mg), αρκετά ώστε να οξειδωθούν. Ύστερα από την απώλεια αρκετών από τα πτητικά αέρια, καθώς επίσης και του άνθρακα (C) και του θείου (S), μέσω αντιδράσεων με το υδρογόνο (H), το παραπάνω αναφερόμενο πυριτιούχο μείγμα σχημάτισε το περισσότερο μέρος από το φλοιό της Γης.
Αυτά τα πυριτιούχα ορυκτά είχαν σχετικά μικρή πυκνότητα, σε σύγκριση με το σίδηρο (Fe), το νικέλιο (Νι) και άλλα μέταλλα που δεν αντιδρούν με το οξυγόνο, οπότε στο ρευστό που δημιουργήθηκε στο εσωτερικό της Γης ο σίδηρος, το νικέλιο (και άλλα σχετικά βαριά μέταλλα), που δεν συνδυάστηκαν σε ορυκτά βυθίστηκαν στον πυρήνα του πλανήτη μας, αφήνοντας έναν παχύ μανδύα, μεταξύ φλοιού και πυρήνα, που αποτελείται κυρίως από πυριτιούχα ορυκτά του μαγνησίου και του σιδήρου. Αυτά θεωρείται ότι είναι κυρίως πυριτιούχοι περοβσκίτες, ακολουθούμενοι σε αφθονία από οξείδια μαγνησίου-σιδήρου φερροπερίκλασα.
Παραδείγματα πυριτιούχων ορυκτών στο φλοιό της Γης περιλαμβάνουν τον πυρόξενο, τον αμφίβολο, τους μαρμαρυγίες τους άστριους, Αυτά τα ορυκτά υπάρχουν σε πηλούς και διαφόρους τύπους πετρωμάτων, όπως ο γρανίτης και ο ψαμμίτης. Στο φλοιό, το πυρίτιο υπάρχει ακόμη σε ορυκτά που περιέχουν πολύ καθαρό διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂) σε διάφορες κρυσταλλικές μορφές χαλαζία (με τις παραλλαγές του όπως είναι ο καπνίας, ο αμέθυστος, ο αχάτης, ο χαλκηδόνιος, ο οπάλιος, το φυσικό κρύσταλλο, ο πυριτόλιθος και ο ίασπις), Οι κρύσταλλοι αυτοί έχουν ως εμπειρικό τύπο το διοξείδιο του πυριτίου, αλλά δεν αποτελούνται από ξεχωριστά μόρια διοξειδίου του πυριτίου, με την έννοια στερεού διοξειδίου του άνθρακα (CO₂). Αντίθετα, το διοξείδιο του πυριτίου αποτελείται δομικά από ένα στερεό δίκτυο από πυρίτιο και οξυγόνο σε τρισδιάστατους κρυστάλλους, όπως συμβαίνει και με το διαμάντι. Λιγότερο καθαρή μορφή υαλώδους οξειδίου του πυριτίου αποτελεί ο οψιδιανός. Βιογενικό διοξείδιο του πυριτίου βρίσκεται στα διάτομα, στα ακτινόζωα και στους πυριτιούχους σπόγγους.
Το πυρἰτιο είναι επίσης το κύριο συστατικό πολλών μετεωριτών και συστατικό των τεκτιτών, ενός πυριτιούχου ορυκτού με πιθανή προέλευση από τη Σελήνη, ή, αν προέρχεται από τη Γη, που έχει υποστεί την επίδραση ασυνήθιστων θερμοκρασιών και πιέσεων, όπως για παράδειγμα από τη σύγκρουση πετρωμάτων με κάποιο μετεωρίτη που έπεσε.

Κράματα

Το σιδηροπυρίτιο είναι κράμα σιδήρου και πυριτίου που περιέχει διάφορες αναλογίες στοιχειακού πυριτίου και σιδήρου, και το οποίο αριθμεί περίπου το 80% της παγκόσμιας παραγωγής στοιχειακού πυριτίου. Η Κίνα είναι η πρωτοπόρος προμηθευτής στοιχειακού πυριτίου, παράγοντας (ετησίως) περίπου 4,6 εκατομμύρια τόνους, δηλαδή τα 2/3 της παγκόσμιας παραγωγής πυριτίου, στη μορφή αυτή του σιδηροπυριτίου. Ακολουθούν, σε παραγωγή πυριτίου, η Ρωσία με 610.000 τόνους, η Νορβηγία με 330.000 τόνους, η Βραζιλία με 240.000 και οι ΗΠΑ με 170.000 τόνους. Το σιδηροπυρίτιο χρησιμοποιείται κυρίως στη βιομηχανία χάλυβα.
Τα κράματα αλουμινίου-πυριτίου, που ονομάζονται σιλουμίνες, χρησιμοποιούνται πολύ από τη βιομηχανία χυτών κραμάτων αλουμινίου, όπου το πυρίτιο είναι το σπουδαιότερο πρόσθετο για τη βελτίωση των ιδιοτήτων χύτευσης του αλουμινίου. Επειδή η χύτευση αλουμινίου χρησιμοποιείται ευρύτατα στην αυτοκινητοβιομηχανία, η χρήση του πυριτίου στον τομέα αυτό είναι απλά η μεγαλύτερη βιομηχανική χρήση του, οπότε περίπου το 55% του «μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας» πυριτίου προστίθεται σε αλουμίνιο, ενώ για το σιδηροπυρίτιο αρκεί πυρίτιο, που δεν έχει υποστεί κανέναν καθαρισμό, να προστεθεί σε χάλυβα.

Μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας

Το στοιχειακό πυρίτιο, που δεν είναι κράμα με σημαντικές ποσότητες άλλων χημικών στοιχείων, συνήθως καθαρότητας πάνω από 95%, αναφέρεται συχνά ως «μεταλλικό πυρίτιο». Αποτελεί περίπου το 20% της παγκόσμιας παραγωγής πυριτίου, ενώ μόλις το 1-2% του συνολικού στοιχειακού πυριτίου καθαρίζεται σε υψηλότερους βαθμούς καθαρότητας, για χρήση του από τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Το μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο εμπορικά παράγεται με αντίδραση υψηλής καθαρότητας διοξειδίου του πυριτίου (SiO₂) με ξύλο, ξυλάνθρακα και γαιάνθρακα σε κλίβανο με ηλεκτρικό τόξο, που δημιουργείται μεταξύ ηλεκτροδίων άνθρακα. Σε θερμοκρασίες πάνω από 1.900 °C, ο άνθρακας των παραπάνω αναφερόμενων υλικών και το πυρίτιο του διοξειδίου του πυριτίου, μετέχουν σε μια χημική αντίδραση της μορφής:
Το υγροποιημένο πυρίτιο συλλέγεται στον πυθμένα του κλιβάνου, από όπου αφαιρείται και ψύχεται. Το πυρίτιο που παράγεται με τον παραπάνω τρόπο ονομάζεται, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, «μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο», με καθαρότητα τουλάχιστον 98%. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο συμπαράγεται (ως παραπροϊόν) και καρβίδιο του πυριτίου (SiC), που επίσης σχηματίζεται με τις ακόλουθες αντιδράσεις:
Ωστόσο, αν κρατηθεί σε υψηλό ποσοστό η συγκέντρωση διοξειδίου του πυριτίου, το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να εξουδετερωθεί με την ακόλουθη αντίδραση:
Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, το «μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο» χρησιμοποιείται κυρίως στη βιομηχανία χύτευσης αλουμινίου για την παραγωγή αντικειμένων από κράμα αλουμινίου - πυριτίου (σιλαλουμίνα), σε ποσοστό 55%. Το υπόλοιπο 45% χρησιμοποιείται από τη χημική βιομηχανία, όπου κυρίως χρησιμοποιείται για την παραγωγή «καπνιστής πυριτίας», ενώ το τελευταίο υπόλοιπο χρησιμοποιείται για την παραγωγή άλλων σημαντικών χημικών όπως τα σιλένια και κάποιοι τύποι σιλικονών. Μέχρι το Σεπτέμβριο του 2008, το «μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο» κόστιζε περίπου 3,20 $ ΗΠΑ/χιλιόγραμμο, ενώ η αντίστοιχη τιμή το 2005 ήταν 1,70 $/χιλιόγραμμο.

Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο

Οι σημερινές διεργασίες καθαρισμού πυριτίου περιλαμβάνουν τη μετατροπή του (προς καθαρισμό) πυριτίου σε πτητικά υγρά, όπως το τριχλωροσιλάνιο (SiHCl₃) και το τετραχλωροπυρίτιο (SiCl₄), ή ακόμη και στο αέριο σιλάνιο (SiH₄). Αυτές οι ενώσεις (αφού παραχθούν) διαχωρίζονται στη συνέχεια με απόσταξη και τελικά μετατρέπονται σε (στοιχειακό) πυρίτιο υψηλής καθαρότητας, είτε με οξειδοαναγωγική αντίδραση είτε με θερμική αποσύνθεση σε υψηλές θερμοκρασίες.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1950 η αμερικανική χημική εταιρεία DuPont κατοχύρωσε ως ευρεσιτεχνία της μια μέθοδο παραγωγής πυριτίου καθαρότητας 99,99%, χρησιμοποιώντας μεταλλικό ψευδάργυρο (Zn) για την αναγωγή ατμών τετραχλωροπυρίτιου θερμοκρασίας 900 °C σε υψηλής καθαρότητας στοιχειακό πυρίτιο. Αυτή η τεχνική, ωστόσο, είχε ορισμένα πρακτικά προβλήματα, όπως το ότι παρήγαγε ως παραπροϊόν χλωριούχο ψευδάργυρο (ZnCl₂), που στερεοποιούνταν και έκλεινε τις γραμμές (παραγωγής). Έτσι, αυτή η ευρεσιτεχνία DuPont τελικά εγκαταλείφθηκε προς όφελος πιο έξυπνων διεργασιών.

Διεργασία Siemens και εναλλακτικές

Η καλύτερα γνωστή τεχνική καθαρισμού πυριτίου είναι η αποκαλούμενη «διεργασία Siemens». Η τεχνική αυτή δεν χρειάζεται αναγωγικά μέσα, όπως ο ψευδάργυρος, καθώς αναπτύσσει κρυσταλλίτες υψηλής καθαρότητας πυριτίου απευθείας πάνω σε μια επιφάνεια καθαρού πυριτίου που προϋπάρχει σε μορφή ράβδων πυριτίου και λειτουργεί με θερμική αποσύνθεση ατμών τριχλωροσιλανίου που ρέει πάνω από τις επιφάνειες των ράβδων με θερμοκρασία 1.150 °C. Μια συνηθισμένη ονομασία για αυτού του τύπου τεχνικής είναι η χημική απόθεση ατμών (Chemical Vapor Deposition, CVD) και παράγει υψηλής καθαρότητας πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, γνωστό και ως «πολυπυρίτιο». Ενώ η συμβατική διεργασία Siemens παράγει πολυπυρίτιο «ηλεκτρονικού βαθμού» καθαρότητας, τυπικά 9N–11N προσμείξεις, δηλαδή προσμείξεις σε επίπεδα μικρότερα του 1 ppb, οι τροποποιημένες διεργασίες Siemens είναι μια αξιόπιστη διεργασία - οδός παραγωγής για πυρίτιο «ηλιακού βαθμού» καθαρότητας (Solar Grade Silicon, SoG-Si), με 6N προσμείξεις, δηλαδή καθαρότητας 99,9999%, που απαιτεί τη δαπάνη λιγότερης ενέργειας.
Μια πιο πρόσφατη εναλλακτική διεργασία παραγωγής πολυπυριτίου είναι η τεχνολογία παραγωγής αντιδραστήρα ρευστοποιημένης μήτρας [Fluidized Bed Reactor (FBR) manufacturing technology]. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή διεργασία Siemens, η διεργασία FBR εμφανίζει έναν αριθμό πλεονεκτημάτων που οδηγούν στην οικονομικότερη παραγωγή πολυπυριτίου που απαιτείται από την ταχέως αναπτυσσόμενη βιομηχανία φωτοβολταϊκών. Σε αντίθεση με την παραδοσιακή διεργασία Siemens, η διεργασία FBR σπαταλά λιγότερους πόρους και απαιτεί βραχύτερο χρονικό διάστημα προετοιμασίας. Χρειάζεται περίπου το 10% της ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται κατά την παραδοσιακή διεργασία Siemens και δε σπαταλά ενέργεια με τη μορφή θερμού αέρα και πυρίτιο σε επαφή με ψυχρές επιφάνειες. Στη διεργασία FBR χρησιμοποιείται σιλάνιο, το οποίο εισέρχεται στον αντιδραστήρα από κάτω και σχηματίζει μια ρευστοποιημένη μήτρα μαζί με σωματίδια πυριτίου που εισέρχονται από πάνω. Το αέριο σιλάνιο αποσυνθέτεται και το παραγόμενο πυρίτιο επικάθεται πάνω στα εισερχόμενα σωματίδια πυριτίου. Όταν τα σωματίδια αυτά μεγαλώσουν και σχηματίσουν μεγαλύτερα σωμάτια, σταδιακά βυθίζονται στον πυθμένα του αντιδραστήρα, από τον οποίο συνεχώς αφαιρούνται κατά τη διάρκεια της διεργασίας.
Η τεχνολογία παραγωγής FBR δίνει πολυπυρίτιο καθαρότητας 6N - 9N, μια καθαρότητα μεγαλύτερη από αυτή του «αναβαθμισμένου μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας» πυρίτιο (Upgraded Metallurgical Grade Silicon, UMG-Si). Η τελευταία αντιστοιχεί σε μια τρίτη τεχνολογία καθαρισμού, που (επίσης) χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών. Σύμφωνα με αυτήν τη διεργασία χρησιμοποιείται απόθεση μαζί με χημικό καθαρισμό που χρησιμοποιεί μεταλλουργικές τεχνικές. Προς το παρόν, το περισσότερο πυρίτιο που χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών προέρχεται από τη διεργασία Siemens και μόλις περίπου το 10% από την τεχνολογία FBR, ενώ στη διεργασία UMG-Si οφείλεται μόλις περίπου το 2% της παραγωγής. Ωστόσο, ως το 2020, η IHS Technology προβλέπει ότι η αγορά για τις τεχνολογίες FBR και UMG-Si θα αυξηθεί σε 16,7% και 5,4%, αντίστοιχα.
Η εταιρεία REC, είναι ένας από τις πρωτοπόρους παραγωγούς σιλανίου και πολυπυριτίου χρησιμοποιώντας τεχνολογία FBR. Οι χημικές αντιδράσεις τριών (3) σταδίων εντός του αντιδραστήρα FBR (της εταιρείας αυτής) είναι οι ακόλουθες:
Από άλλες εταιρείες χρησιμοποιούνται, επίσης, και άλλες πρόδρομες ενώσεις, όπως το τριβρωμοσιλάνιο (SiHBr₃).

Ηλεκτρονικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο

Η χρήση του πυριτίου σε ημιαγωγικές συσκευές απαιτεί πολύ μεγαλύτερη καθαρότητα από το μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο.

Πρώιμες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου

Οι πρώιμες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου βασίζονταν στο γεγονός ότι αν το πυρίτιο λιώσει και επαναστερεοποιηθεί, τότε τα τελευταία τμήματα της μάζας του στερεοποιημένου πυριτίου περιέχουν τις περισσότερες προσμίξεις. Η πρωιμότερη μέθοδος καθαρισμού πυριτίου περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1919 και χρησιμοποιήθηκε σε περιορισμένη βάση για την κατασκευή τμημάτων ραντάρ, κατά το Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο. Περιελάμβανε συντριβή μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυριτίου και μετά μερική διάλυση σκόνης (τέτοιου) πυριτίου σε ένα οξύ. Όταν συντρίβονταν το πυρίτιο, η θραύση γίνονταν στις περιοχές με μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις, γιατί οι περιοχές αυτές ήταν οι ασθενέστερες σε αντοχή. Δηλαδή στα προϊόντα της θραύσης, οι περιοχές με μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις βρίσκονταν γύρω από κόκκους καθαρότερου πυριτίου. Ως αποτέλεσμα, μετά τη θραύση, τα τμήματα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις ήταν οι πρώτες που ήταν εκτεθειμένες στη μετέπειτα επίδραση του οξέος, με τελικό αποτέλεσμα να αφήνεται πίσω καθαρότερο προϊόν.
Η ζωνιακή τήξη (zone melting), γνωστή επίσης ως ζωνιακή διύλιση (zone refining), ήταν η πρώτη μέθοδος καθαρισμού πυριτίου που χρησιμοποιήθηκε σε ευρεία βιομηχανική κλίμακα. Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο, ράβδοι μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο θερμαίνονταν για να λυώσουν στο ένα τους (πάνω μόνο) άκρο. Έπειτα, η συσκευή θέρμανσης μετακινούνταν πολύ αργά προς τα κάτω κατά μήκος της ράβδου, διατηρώντας μικρό ποσοστό του μήκους της ράβδου λιωμένο, καθώς το προηγούμενα λιωμένο πυρίτιο ψύχονταν και επαναστερεοποιώνταν. Όταν η διαδικασία αυτή τελείωνε οι περισσότερες προσμείξεις είχαν τελικά μετακινηθεί και συγκεντρωθεί στο τελευταίο τμήμα που είχε λιώσει (στο κάτω μέρος της ράβδου). Μετά, αυτό το (κάτω) τμήμα αποκοβόταν και απομακρυνόταν. Η διεργασία αυτή επαναλαμβανόταν, μέχρι να ληφθεί ο επιθυμητός βαθμός καθαρότητας πυριτίου.

Άλλες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου

Πολύ καθαρό πυρίτιο (>99,9%) μπορεί να παραχθεί από στερεό διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂), ή άλλες πυριτιούχες ενώσεις, με ηλεκτρόλυση τηγμένου άλατος. Αυτή η μέθοδος, που είναι γνωστή από το 1854,έχει τη δυναμική να παράξει απευθείας ηλιακού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο, χωρίς καθόλου εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα και με πολύ μικρότερη κατανάλωση ενέργειας.
Ωστόσο, το ηλιακού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικροηλεκτρονικές συσκευές. Σε αυτό το επίπεδο, η καθαρότητα του υλικού ελέγχει κβαντομηχανικές ιδιότητες, οπότε θα πρέπει να είναι πολύ υψηλή. Αρχικά, οι χύμα «γκοφρέτες» (wafers) πυριτίου που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πρέπει να καθαριστούν σε μια καθαρότητα 9Ν, δηλαδή 99,9999999%, μια διεργασία που απαιτεί επαναλαμβανόμενες εφαρμογές της τεχνολογίας καθαρισμού.
Η πλειονότητα των κρυστάλλων πυριτίου που αναπτύχθηκαν για την παραγωγή συσκευών παράχθηκαν με τη διεργασία Τσοχράλσκι (Czochralski process, Cz-Si). Ήταν η οικονομικότερη διαθέσιμη μέθοδος. Ωστόσο, οι μονοκρύσταλλοι που αναπτύσσονται με τη διεργασία Τσοχράλσκι περιέχουν αρκετές προσμείξεις, γιατί αυτές διαλύονται στο χωνευτήριο που χρησιμοποιείται για την τήξη των πυριτιούχων αλάτων. Ιστορικά, ένας αριθμός από μεθόδους χρησιμοποιήθηκε για να επιτευχθεί η παραγωγή εξαιρετικά πολύ καθαρού πυριτίου.

Φυσικά χαρακτηριστικά

Δείτε επίσης: μονοκρυσταλλικό πυρίτιο.
Το πυρίτιο είναι στερεό στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, με θερμοκρασία τήξης 1.414°C και θερμοκρασία βρασμού 3.265°C. Όπως και το νερό, έχει μεγαλύτερη πυκνότητα στην υγρή του κατάσταση, παρά στη στερεή του, και γι' αυτό διαστέλλεται όταν πήζει, αντίθετα από τις περισσότερες άλλες χημικές ουσίες. Έχει σχετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα 149 W·m⁻¹·K⁻¹, οπότε το πυρίτιο άγει τη θερμότητα καλά.
Στην κρυσταλλική αλλομορφή του, το χημικά καθαρό πυρίτιο έχει γκρι χρώμα και μεταλλική λάμψη. Αντίθετα από το γερμάνιο το πυρίτιο είναι μάλλον ανθεκτικό, πολύ εύθραυστο, και επιρρεπές σε ξεφλούδισμα. Το πυρίτιο, όπως ο άνθρακας και το γερμάνιο, κρυσταλλώνεται με αδαμαντοειδή κυβική κρυσταλλική δομή, με απόσταση πλέγματος 543,0710 pm.
Η εξώτατη ηλεκτρονιακή στιβάδα του ατόμου του πυριτίου, όπως και του άνθρακα, περιέχει τέσσερα (4) ηλεκτρόνια σθένους. Οι υποστιβάδες 1s, 2s, 2p και 3s είναι συμπληρωμένες, ενώ η υποστιβάδα 3p έχει πληρότητα 2/6. 
Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός. Έχει αρνητικό θερμικό συντελεστή αντίστασης, εφόσον ο αριθμός των ελεύθερων φορέων φορτίου αυξάνει με τη θερμοκρασία. Η ηλεκτρική αντίσταση μονοκρυσταλλικού πυριτίου αλλάζει σημαντικά υπό την εφαρμογή μηχανικής πίεσης, εξαιτίας του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου.

Χημικά χαρακτηριστικά

Το πυρίτιο είναι μεταλλοειδές, έτοιμο να αποβάλλει ή να συνεισφέρει τα τέσσερα (4) εξωτερικά του ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας τυπικά τέσσερις (4) δεσμούς. Όπως και στον άνθρακα, τα τέσσερα (4) δεσμικά του ηλεκτρόνια επιτρέπουν στο πυρίτιο να συνδυαστεί με πολλά άλλα χημικά στοιχεία ή ομάδες αυτών και να σχηματίσει έτσι μια μεγάλη ποικιλία χημικών ενώσεων. Ωστόσο, αντίθετα από τον άνθρακα, το πυρίτιο μπορεί να δεχτεί επιπλέον ηλεκτρόνια και να σχηματίσει πέντε (5) ή και έξι (6) δεσμούς σε μερικές φορές πιο ασταθή πυριτική μορφή. Το τετρασθενές πυρίτιο είναι σχετικά αδρανές, γιατί μπορεί να αντιδρά με τα αλογόνα και με αραιά αλκαλικά διαλύματα, αλλά τα περισσότερα οξέα, εκτός από κάποιους υπερενεργούς συνδυασμούς νιτρικού και υδροφθορικού οξέος, δεν έχουν επίδραση πάνω του.

Σιλικόνες

Σιλικόνη είναι η συνοπτική ονομασία πολυμερών ενώσεων από άτομα οξυγόνου και πυριτίου. Ο γενικός τους τύπος είναι –R1R2SiO-. Οι σιλικόνες παρουσιάζουν αξιοσημείωτη σταθερότητα κατά τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Χαρακτηρίζονται επίσης από αξιόλογη αντοχή στις μεταβολές των καιρικών συνθηκών. Οι σιλικόνες έχουν αποκτήσει μια τεράστια πρακτική και βιομηχανική σημασία σε πολλούς τομείς, όπως στον ηλεκτρονικό, υφαντικό, μηχανικό, οικοδομικό, στην παραγωγή βερνικιών, λιπαντικών και πλαστικών υλών. Παρόλο που μερικές οργανικές πυριτικές ενώσεις ήταν γνωστές από την αρχή του αιώνα μας, η πραγματική έρευνα που εφαρμόστηκε με την ανακάλυψη των σιλικονών ως πρακτικά χρήσιμων ουσιών οφείλεται σε δύο μεγάλες αμερικανικές βιομηχανίες, την Dow Corning και την General Electric, που πραγματοποίησαν πρώτες τη βιομηχανική σύνθεση μιας εκτεταμένης σειράς σιλικονικών προϊόντων που εξαπλώθηκε ταχύτατα. Οι πρώτες συνθετικές σιλικόνες ήταν τα ελαιώδη ή σιλικονικά υγρά, ακολούθησαν τα λιπώδη, τα τυποποιημένα ελαιώδη και ύστερα τα ελαστικά, οι ρητίνες και τα συμπολυμερή.

Σιλικονικά λίπη

Αποτελούνται από υγρά με υψηλό ιξώδες. Οι εφαρμογές τους είναι οι τυπικές των λιπαντικών λιπών και χρησιμοποιούνται όταν οι συνθήκες χρήσης είναι ιδιαίτερα έντονες. Για υψηλότερες αποδόσεις εμπλουτίζονται με κολλοειδή, γραφίτη και μολυβδαίνιο.

Σιλικονικά Ελαστικά

Τα σιλικονικά ελαστικά σε σύγκριση με τα φυσικά ή τεχνητά εμφανίζουν σημαντικά πλεονεκτήματα το κυριότερο από τα οποία συνιστάται στο γεγονός ότι αυτά διατηρούν σχεδόν αναλλοίωτη την ελαστικότητα τους από τους 100®C έως τους 200®C. Αυτό επιτρέπει να λυθούν διάφορα προβλήματα που μπορούν να εμφανιστούν στην βιομηχανία, στις πολικές περιοχές και στο Διάστημα. Άλλα ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά αυτών των ελαστικών είναι αξιοσημείωτη αντοχή τους στην παλαίωση, στην οξείδωση και στα ορυκτά έλαια που διαστέλλουν και αλλοιώνουν τα άλλα ελαστικά.

Σιλικονικές ρητίνες

Η κύρια εφαρμογή τους είναι ως υλικά επένδυσης υπό μορφή είτε βερνικιών είτε προστατευτικών μεμβρανών. Τροποποιημένες δίνουν χαρακτηριστικές επενδύσεις με εξαιρετική αντοχή στο ψύχος, στη θερμότητα, στους διαλύτες και στα άλλα χημικά αντιδραστήρια. Λόγω της υψηλής διηλεκτρικής σταθερότητας τους, εφαρμόζονται στην κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

Άλλα σιλικονικά προϊόντα

Σε αυτή την κατηγορία συμπεριλαμβάνονται οι κόλλες καθώς και τα στεγανοποιητικά του ύδατος στην οικοδομική.

Εφαρμογές

Το καθαρό Πυρίτιο είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου και χρησιμοποιείται ευρέως στους ημιαγωγούς, καθώς παραμένει ημιαγωγός σε υψηλές θερμοκρασίες, σε αντίθεση με το γερμάνιο, και επειδή τα οξείδιά του υφίστανται επεξεργασία εύκολα σε κλίβανο και σχηματίζουν καλύτερες διεπιφάνειες ημιαγωγού/διηλεκτρικού από σχεδόν όλους τους άλλους συνδυασμούς στοιχείων.