سیلیسیم

نام

نام سیلیسیم از واژهٔ لاتین سیلیکا (silica) گرفته شده که به معنای سنگ آتشزنه است. در زبان انگلیسی از سال ۱۸۱۷ میلادی از واژهٔ «سیلیکون» (silicon) برای نام این عنصر استفاده شده‌است. در زبان فارسی نیز در برخی منابع (از جمله مقاله‌ها و وبگاه‌های مرتبط با علوم فیزیک، الکترونیک و رایانه) گاهی از لفظ سیلیکون یا سیلیکن یا سیلیکان برای اشاره به این عنصر استفاده شده‌است. با این حال در ترجمهٔ فارسی کتاب‌های مرجع علمی نظیر کتاب شیمی عمومی اثر چارلز ای مورتیمر یا کتاب مکانیک کوانتومی اثر کلود کوهن-تانوجی نام این عنصر فقط به صورت سیلیسیم آمده‌است.

تاریخچه

در ۱۸۷۸ آنتوان لاووازیه به این نکته مشکوک شد که احتمالاً سیلیکا اکسیدی از یک عنصر پایه ای باشد. اما آفنیته شیمیایی سیلیکون به اکسیژن به قدری زیاد است که او راهی برای کاهش اکسیژن از این ماده و جدا کردن آن به صورت خالص پیدا نکرد. پس از تلاش‌های سِر همفری دیوی برای ایزوله کردن این ماده در ۱۸۰۸، او نام «سیلیسیم» را برای این ماده پیشنهاد کرد که برگرفته از silex یا silicis به معنای «سنگ چخماق» بود و به آن پسوند «ایم» داد چرا که فکر می‌کرد این عنصر یک «فلز» است. در بسیاری از زبان‌های غیرانگلیسی از نام پیشنهادی همفری دیوی استفاده می‌شود.
تصور می‌شود که گیلوساک و تنارد در ۱۸۱۱ از روش گرم کردن فلز پتانسیم تازه ایزوله شده با سیلیکون تترافلوراید موفق به ساخت سیلیکون آمورف شدند، اما قادر به خالص سازی و تشخیص این ماده و تعیین آن به عنوان یک عنصر جدید نگریدند. نام امروزین این عنصر یعنی "سیلیکون (به انگلیسی: Silicon)" در سال ۱۸۱۷ توسط شیمی‌دان اسکاتلندی توماس تامسون برگزیده شد. او قسمتی از نام دیوی را حفظ کرد اما در انتهای آن از پسوند "on-" به جای "ium-" استفاده کرد چرا که او باور داشت این ماده یک "نافلز" مانند بورون (به انگلیسی: Boron) و کربُن (به انگلیسی: Carbon) است.

فیزیکی

سیلیسیم در دمای اتاق جامد است و نقطهٔ ذوب و جوش بسیار بالایی دارد. این نقطه‌ها به ترتیب عبارتند از ۱٬۴۰۰ و ۲٬۸۰۰ درجهٔ سانتیگراد. نکتهٔ جالب دربارهٔ سیلیسیم این است که این ماده در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد در نتیجه رفتار این ماده هنگام یخ زدن (جامد شدن) مانند رفتار معمول در دیگر ماده‌ها، با کاهش حجم همراه نیست بلکه حجم آن افزایش می‌یابد مانند آب که پس از یخ زدگی جرم در یکای حجمش کاهش می‌یابد و چگالی اش از آب مایع کمتر می‌شود. سیلیسیم رسانایی گرمایی بالایی دارد و اندازهٔ آن 149 W·m-۱·K-۱ است. برای همین در پوشش جسم‌های داغ کاربردی ندارد.
سیلیسیم پالوده در حالت بلوری به رنگ خاکستری است و جلای فلزی دارد. مانند ژرمانیم سخت و بسیار تُرد است و برای تراشه (ورقه ورقه) شدن مناسب است. سیلیسیم مانند کربن و ژرمانیم هنگام بلوری شدن ساختاربلوری الماس را می‌پذیرد و فاصله‌ها در شبکهٔ بندی آن تقریباً ۰٫۵۴۳۰۷۱۰ nm یا ۵٫۴۳۰۷۱۰ Å است.
ابر الکترونی بیرونی سیلیسیم مانند کربن چهار الکترون در لایهٔ آخر دارد. لایه‌های 1s،2s،2p و 3s سراسر پر شده‌اند درحالی که لایهٔ 3p تنها دو جا از ۶ جای آن پر شده‌است.
سیلیسیم یک نیمه‌رسانا است. ضریب دمایی مقاومت الکتریکی این ماده منفی است چون شمار جابجایی‌کننده‌های (حامل‌های) بارهای آزاد آن با افزایش دما افزایش می‌یابد. مقاومت الکتریکی یک تک‌بلور سیلیسیم در اثر دریافت تنش‌های مکانیکی، تغییر بسیار زیادی می‌کند.

شیمیایی

سیلیسیم یک شبه‌فلز است و به آسانی چهار الکترون بیرونی خود را به دیگری می‌دهد یا به اشتراک می‌گذارد و به این وسیله می‌تواند در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی راه یابد. سیلیسیم با هالوژن‌ها و قلیاها واکنش می‌دهد اما بیشتر اسیدها (به جز برخی ترکیب‌های بسیار واکنش دهندهٔ اسید نیتریک و هیدروفلوئوریک اسید) اثری بر روی آن ندارند. با این حال داشتن چهار الکترون در لایهٔ ظرفیت، مانند کربن به سیلیسیم هم این امکان را می‌دهد تا در شرایط مناسب با بسیاری از عنصرها وارد واکنش شود.

ایزوتوپ‌ها

در طبیعت سه ایزوتوپ پایدار برای سیلیسیم پیدا می‌شود: سیلیسیم-۲۷، سیلیسیم-۲۹ و سیلیسیم-۳۰ که سیلیسیم-۲۸ بیشترین فراوانی را دارد (۹۲ درصد). جدای از این‌ها، تنها سیلیسیم-۲۹ در فرایندهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای و تشدید پارامغناطیسی الکترون کاربرد دارد. تاکنون بیست ایزوتوپ پرتوزا شناخته شده‌است که پایدارترین آن‌ها، سیلیسیم-۳۲ با نیمه عمر ۱۷۰ سال است، پس از آن سیلیسیم-۳۱ با نیمه عمر ۱۵۷٫۳ دقیقه پایدارترین است. دیگر ایزوتوپ‌های پرتوزا نیمه عمری کمتر از ۷ ثانیه و البته بیشتر آن‌ها حتی نیمه عمری کوتاه‌تر از یک-دهم ثانیه دارند. سیلیسیم، هیچ ایزومر هسته‌ای شناخته شده‌ای ندارد. عدد جرمی ایزوتوپ‌های سیلیسیم از ۲۲ تا ۴۴ است. بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در میان شش ایزوتوپی که عدد جرمی کمتر از سیلیسیم-۲۸ دارند، β⁺ بوده‌است که نخست باعث پدیدار گشتن ایزوتوپ‌های آلومینیم (۱۳ پروتون)، به عنوان محصول واپاشی، شده‌است. β⁻ بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در ۱۶ ایزوتوپ با عدد جرمی بیشتر از سیلیسیم-۲۸ است که باعث پدیدار شدن ایزوتوپ‌های فسفر (۱۵ پروتون) شده‌است.

ترکیبات

سیلیسیم اکثراً به صورت صنعتی و بدون اینکه خالص سازی شود، استفاده می‌شود و در واقع، اغلب با پردازش نسبتاً کمی از شکل طبیعی آن استفاده می‌شود.
از سیلیسیم اغلب برای کارهای ضدآب‌سازی، ساخت قطعات قالب‌سازی، آب‌بندهای مکانیکی، گریس‌های دما بالا و ترکیبات درزبندی استفاده می‌شود. از سیلیسیم گاهی برای ساخت لنزهای چشمی و مواد منفجره و آتشکاری استفاده می‌شود.

الکترونیک

عمده سیلیسیم تولید شده به شکل آلیاژی فِروسیلیکنی باقی می‌ماند، و فقط نزدیک به ۲۰٪ تا درجهٔ متالورژیکی خالص سازی می‌شود (مجموعا ۱٫۳ تا ۱٫۵ میلیون تن در سال). تخمین زده می‌شود که ۱۵٪ از تولید سیلیسیم متالورژیکی، تا رسیدن به درجهٔ نیمه رساناها مجدداً خالص سازی می‌شود. به این درجه خلوص در اصطلاح «خلوص نُه-۹» یا ۹۹٫۹۹۹۹۹۹۹٪ می‌گویند. ماده ای تک-بلورین و تقریباً بدون هیچ نقصی.
در مدارهای مجتمع متداول، ویفری از جنس سیلیکن مونو-کریستالی به عنوان پایه مکانیکی مدارها استفاده می‌شود، که این پایه‌ها به کمک آلایش ساخته شده و با لایه‌های نازکی از اکسید سیلیسیم از هم جدا می‌شوند.