Τρισιλάνιο

Ανακάλυψη

Το τρισιλάνιο ανακαλύφθηκε το 1916 από τους Καρλ Σομιέσκυ (Carl Somieski) και Άλφρεντ Στοκ (Alfred Stock), κατά τη διάρκεια έρευνάς τους πάνω στη χημική αντίδραση μεταξύ υδροχλωρικού οξέος (HCl) και πυριτιούχου μαγνησίου (Mg₂Si). Αυτή η αντίδραση είχε εξερευνηθεί παλαιότερα, από το 1857 από τους Φρήντριχ Βέλερ (Friedrich Woehler) και Χάιντριχ Μπαφφ (Heinrich Buff), καθώς επίσης και από τους Ανρί Μουασάν (Henri Moissan) και Σάμουελ Σμάιλς (Samuel Smiles), το 1902. Η διάσπαση του πυριτιούχου μαγνησίου παράγει ένα μίγμα σιλανίων, αλλά το τρισιλάνιο είχε αρχικώς ρητά ταυτοποιηθεί από τους Σομιέσκυ και Στοκ. Αρχικά είχε ονομαστεί «σιλικοπροπάνιο», και ταυτοποιήθηκε ως μέλος της ανόργανης ομόλογης σειράς αντίστοιχης με τα αλκάνια, που περιλάμβάνε (τότε) το σιλικοβουτάνιο, δηλαδή το τετρασιλάνιο κατά IUPAC, (Si₄H₁₀), το σιλικοπεντάνιο, δηλαδή το πεντασιλάνιο (Si₅H₁₂), και το σιλικοεξάνιο, δηλαδή το εξασιλάνιο (Si₆H₁₄).

Σύνθεση

Το τρισιλάνιο είναι ένα ιχνοπροϊόν της αντίδρασης μεταξύ σιλενίου (SiH₂) και υδροχλωρίου (HCl). Αυτή η αντίδραση πραγματοποιείται με τη χρήση λέιζερ υπερύθρων. Το λέιζερ τοποθετείται σε ένα κυλινδρικό κελί από ανοξείδωτο χάλυβα κάθετα σε σχέση με το φασματόμετρο μάζας. Το τρισιλάνιο μπορεί επίσης να παραχθεί με τη χρήση της διεργασίας Σχλέσιγκερ (Schlesinger process). Σε αυτήν τη διεργασία αντιδρά λιθιοαργιλιοϋδριδιο (LiAlH₄) με οκταχλωροτρισιλάνιο (Si₃Cl₈) σε διβουτυλαιθέρα (Bu₂O). Το τρισιλάνιο παράγεται επίσης με θερμική αποσύνθεση (μονο)σιλανίου (SiH₄) και δισιλανίου (Si₂H₆) σε υψηλότερες θερμοκρασίες, όπως επιδείχθηκε από τους Μποουρεϋ (Bowrey), Πάρνελλ (Purnell) και Γουάλς (Walsh), στη δεκαετία του '60.

Αντιδράσεις αποσύνθεσης

Η αποσύνθεση τρισιλανίου είναι (ουσιαστικά) μια 1,2-μετατόπιση υδρογόνου που παράγει σιλάνιο, δισιλάνιο, (κανονικό) τετρασιλάνιο, ισοτετρασιλάνιο, (κανονικό) πεντασιλάνιο και ισοπεντασιλάνιο. Ο προτεινόμενος μηχανισμός εμπλέκει τα κατώτερα αχρησιμοποίητα τροχιακά 4s και 3d του πυριτίου:

Εφαρμογές

Ερευνάται η χρήση τρισιλανίου σαν φορέας πυριτίου για πυροβόλα πλάσματος. Η διεργασία αυτή μπορεί να εφαρμώσει πυρίτιο σε λεπτά στρώματα για ημιαγωγούς και άλλες παρόμοιες εφαρμογές. Μια από τις περισσότερο υποσχόμενες εφαρμογές θα μπορούσε να είναι μια οικονομικότερη διεργασία παραγωγής φωτοβολταϊκών. Το γεγονός ότι το τρισιλάνιο είναι υγρό στους 20°C δίνει το πλεονόκτημα ότι έτσι είναι αυξημένη η ροή πυριτίου σε σύγκριση με τα αέρια σιλάνια. Ανάλογα με την εφαρμογή, ένα μίγμα αερίων, υγρών ή και στερεών ίσως να είναι επιθυμητό. Η αλλαγή στη σύνθεση των φορέων επιτρέπει μια ποικιλία πάχους επικάλυψης και σταγονίδια από σπρέυ μπορούν να στερεοποιηθούν πάνω σε ένα υλικό. Τα σταγονίδια αυτά μπορεί επονομάζονται «νομίσματα» (coins). Ο σχηματισμός των «νομισμάτων» αυτών είναι ο λόγος για τον οποίο ο φορέας πρέπει να επιλεχθεί προσεκτικά, γιατί κενά μεταξύ των «νομισμάτων» μπορεί να οδηγήσουν σε μη ολοκληρωμένη εφαρμογή πυριτίου πάνω σε ένα υλικό.
Το πυρίτιο είναι χρήσιμο ως ημιαγωγός σε πολλές εφαρμογές υλισμικού υπολογιστών. Είναι σταθερό και λειτουργεί καλά σε τέτοιες συνθήκες. Εξαιτίας της φύσης του πυριτίου, λειτουργεί καλύτερα σε μικρότερες κλίμακες, γεγονός που καθιστά το πυρίτιο ακόμη πιο επιθυμητώ σε νανοσύρματα (nanowires). Οι προηγούμενες μέθοδοι ανάπτυξης νανοσυρμάτων ενέπλεκαν σύστημα υλικού υπερκρίσιμου ρευστού - υγρού - στερεού (Supercritical Fluid-Liquid-Solid, SFLS) σε οργανικούς διαλύτες, σε θερμοκρασίες πάνω από 400 °C και πιέσεις πάνω από 100 bar. Οι υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις, ο εξειδικευμένος εξοπλισμός και ο σχηματισμός ανεπιθύμητων παραπροϊόντων περιόριζαν την παραγωγή νανοσυρμάτων με τις μεθόδους αυτές. Αντίθετα, οι μέθοδοι που εμπλέκουν τρισιλάνιο έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των μεθόδων SFLS: Όχι μόνο μπορούν να εφαρμοστούν υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση (δηλαδή 1 atm), αλλά μπορούν να εφαρμοστούν στους 363 °C, με μήτρα βισμουθίου, και αρκούν μόλις 264°C με μήτρα χρυσού. Η μέθοδος τρισιλανίου είναι μια μέθοδος διαλύματος - υγρού - στερεού (Solution-Liquid-Solid, SLS) και είναι σχετικά καθαρή, δηλαδή με σχετικά μικρή συμμετοχή άμορφου πυριτίου άλλων ανεπιθύμητων παραπροϊόντων. Η διεργασία αυτή είναι ακόμη στα «σπάργανα», αλλά τα πλεονεκτήματά της την κάνουν να αξίζει να εξερευνηθεί περισσότερο.