Silic

Silic là là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Si và số nguyên tử 14. Đây là một chất rắn kết tinh cứng, giòn có ánh kim màu xanh xám và là một chất á kim (đôi khi được coi là phi kim) và bán dẫn có hóa trị là 4. Silic là nguyên tố thuộc nhóm 14 trong bảng tuần hoàn, trong đó carbon nằm ở phía trên còn germani, thiếc, chì, và flerovi nằm ở phía dưới. Silic tương đối trơ và là một nguyên tố cần thiết cho một số quá trình sinh lý và trao đổi chất ở thực vật. Silic được coi rộng rãi là vật liệu bán dẫn chiếm ưu thế do ứng dụng đa dạng trong nhiều thiết bị điện như bóng bán dẫn, pin mặt trời, mạch tích hợp và nhiều thiết bị khác. Tính chất này có thể xuất phát từ năng lượng vùng cấm lớn, phạm vi truyền quang học mở rộng, phổ hấp thụ rộng, bề mặt nhám và lớp phủ chống phản xạ hiệu quả.

Vì tính ái lực cao với oxy nên phải đến năm 1823, Jöns Jacob Berzelius mới là người đầu tiên chế biến và mô tả nó ở dạng tinh khiết. Các oxide của silic tạo thành một họ anion được gọi là silicat. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của silic lần lượt là 1414&nbsp;°C và 3265&nbsp;°C, cao thứ hai trong số tất cả các á kim và phi kim, và chỉ đứng sau bor.

Tính theo khối lượng, silic là nguyên tố phổ biến thứ 8 trên vũ trụ; nhưng trên vỏ Trái Đất, silic rất hiếm khi xuất hiện dưới dạng tinh khiết. Silic được phân bố khắp vũ trụ trong bụi dưới dạng bụi vũ trụ, hành tinh vi hình và hành tinh dưới nhiều dạng silic dioxide (silica) hoặc silicat khác nhau. Hơn 90% lớp vỏ Trái Đất được cấu tạo từ khoáng vật silicat nên silic là nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ Trái Đất (khoảng 28% theo khối lượng) chỉ sau oxy.

Phần lớn silicon có thể được dùng trong thương mại mà không cần tách riêng, và thường chỉ qua rất ít quy trình xử lý các khoáng chất tự nhiên. Các ứng dụng như vậy bao gồm xây dựng công nghiệp bằng đất sét, cát silic và đá. Silicat được sử dụng trong xi măng Portland để làm vữa và vữa trát, và trộn với cát silica và sỏi để làm bê tông cho vỉa hè, nền móng và đường. Chúng cũng được sử dụng trong đồ gốm trắng như sứ, và trong thủy tinh vôi soda truyền thống làm từ silicat và nhiều loại thủy tinh đặc biệt khác. Các hợp chất silic như silic carbide được sử dụng làm chất mài mòn và là thành phần của gốm sứ có độ bền cao. Silic là cơ sở của các loại polyme tổng hợp được sử dụng rộng rãi tên silicon.

Giai đoạn cuối thế kỷ 20 đến đầu thế kỷ 21 được mô tả là Thời đại Silicon (hay còn gọi là Thời đại số hoặc Thời đại Thông tin) vì tác động lớn của nguyên tố silic đối với nền kinh tế của thế giới hiện đại. Một phần nhỏ silic nguyên tố có độ tinh khiết cao được dùng trong linh kiện bán dẫn (4). Năm 1846, Von Ebelman tổng hợp tetraethyl orthosilicat (Si(OC2H5)4). Ông thu được một dạng thù hình silic không tinh khiết vào năm 1854 bằng cách điện phân hỗn hợp natri chloride và nhôm chloride chứa khoảng 10% silic. Sau đó, các phương pháp tiết kiệm chi phí hơn đã được phát triển để phân lập một số dạng thù hình, với thù hình gần đây nhất là silicene vào năm 2010. Trong khi đó, nghiên cứu về tính chất hóa học của silic vẫn tiếp diễn; Friedrich Wöhler đã phát hiện ra các hydride dễ bay hơi đầu tiên của silic, tổng hợp trichlorosilan vào năm 1857 và silan vào năm 1858, nhưng phải đến đầu thế kỷ XX, quá trình nghiên cứu một cách chi tiết về silan mới được Alfred Stock thực hiện, mặc dù những suy đoán ban đầu về vấn đề này có niên đại từ thời kỳ đầu của hóa học hữu cơ tổng hợp vào những năm 1830. Tương tự, hợp chất cơ-silic đầu tiên, tetraethylsilane, được Charles Friedel và James Crafts tổng hợp vào năm 1863, nhưng phải đến đầu thế kỷ XX đặc điểm chi tiết của hóa học cơ-silic mới được Frederic Kipping thực hiện.

Kể từ thập niên 1920, công trình của William Lawrence Bragg về tinh thể học tia X đã làm sáng tỏ thành phần của silicat, vốn đã được biết đến trước đây trong hóa phân tích nhưng vẫn chưa được hiểu rõ, cùng với sự phát triển ngành hóa học tinh thể của Linus Pauling và sự phát triển của địa hóa học của Victor Goldschmidt. Giữa thế kỷ XX chứng kiến sự phát triển của tính chất hóa học và ứng dụng công nghiệp của siloxan, cũng như sự gia tăng sử dụng polymee silicon, chất đàn hồi và nhựa. Vào cuối thế kỷ XX, tính phức tạp của hóa học tinh thể của silicide đã được làm rõ cùng với tính chất vật lý chất rắn của chất bán dẫn pha tạp.

Bán dẫn silic
Các thiết bị bán dẫn đầu tiên không sử dụng silic, mà sử dụng galen, bao gồm máy dò tinh thể của nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun vào năm 1874 và máy dò tinh thể vô tuyến của nhà vật lý người Ấn Độ Jagadish Chandra Bose vào năm 1901. Thiết bị bán dẫn silic đầu tiên là máy dò tinh thể vô tuyến silicon do kỹ sư người Mỹ Greenleaf Whittier Pickard phát triển vào năm 1906. Năm 1954, nhà hóa học vật lý Morris Tanenbaum đã chế tạo transistor tiếp giáp silic đầu tiên tại Phòng thí nghiệm Bell . Năm 1955, Carl Frosch và Lincoln Derick tại Bell Labs tình cờ phát hiện ra rằng có thể nuôi cấy silic dioxide () trên silic. Đến năm 1957, Frosch và Derick công bố công trình của họ về bóng bán dẫn oxide đầu tiên; đây là bóng bán dẫn phẳng đầu tiên, trong đó cực thoát và cực nguồn nằm cạnh nhau trên cùng một bề mặt. Năm 1959, Robert Noyce đã phát triển mạch tích hợp dựa trên silic đầu tiên tại Fairchild Semiconductor, dựa trên công trình trước đó của Jack Kilby sử dụng germani làm chất bán dẫn.
là linh kiện chủ chốt của Thời đại Silic. Transistor phẳng oxide bán dẫn silic đầu tiên được Frosch và Derick chế tạo vào năm 1957.]]

Thời đại Silicon
"Thời đại Silicon" ám chỉ giai đoạn cuối thế kỷ XX cho đến đầu thế kỷ XXI. Tên này xuất phát từ việc silic là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong điện tử và công nghệ thông tin (còn được gọi là Thời đại số hoặc Thời đại thông tin), tương tự như cách Thời đồ đá, Thời đồ đồng và Thời đồ sắt được xác định bằng các vật liệu chủ yếu trong các thời đại văn minh tương ứng của chúng. và Ốc đảo Dubai Silicon ở Dubai.

Đặc tính

Vật lý và nguyên tử
nhỏ|Silicon kết tinh thành dạng Hệ tinh thể lập phương|tinh thể lập phương có kiến trúc giống [[kim cương bằng cách tạo orbital lai hóa sp3.]]
Một nguyên tử silic có 14 electron. Ở trạng thái cơ bản, các electron được sắp xếp theo cấu hình [Ne]3s23p2. Trong số này có 4 electron hóa trị chiếm orbital 3s và hai trong số năm orbital 3p. Tương tự các nguyên tố khác trong nhóm như carbon và các nguyên tố nặng hơn là germani, thiếc và chì, số electron hóa trị và orbital hóa trị của silic bằng nhau; vì vậy mà silic có thể lấp đầy octet và đạt trạng thái khí hiếm ổn định của argon bằng cách tạo orbital lai hóa sp3, hình thành các dẫn xuất hình tứ diện trong đó silic ở trung tâm chia sẻ một cặp electron với mỗi một nguyên tử liên kết với nó. Bốn năng lượng ion hóa đầu tiên của silic lần lượt là 786,3; 1576,5; 3228,3; và 4354,4&nbsp;kJ/mol; các giá trị này đủ lớn để loại trừ khả năng tạo cation của nguyên tố. Theo xu hướng tuần hoàn, bán kính cộng hóa trị liên kết đơn của silic là 117,6 pm; giá trị này nằm giữa bán kính của carbon (77,2 pm) và germani (122,3 pm). Bán kính của silic với sáu phối tử có thể được coi là 40 pm, mặc dù đây chỉ là một con số hoàn toàn mang tính khái niệm do thiếu đơn giản trong thực tế.

Điện tử
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, silic là một chất bán dẫn sáng bóng với ánh kim loại màu xám xanh lam; dựa trên đặc trưng của một chất bán dẫn, điện trở suất của silic sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. Điều này phát sinh vì silic có một khoảng cách năng lượng nhỏ (năng lượng vùng cấm) giữa các mức năng lượng chiếm giữ cao nhất (vùng hóa trị) và các mức năng lượng chưa chiếm giữ thấp nhất (vùng dẫn). Mức Fermi nằm ở giữa vùng hóa trị và vùng dẫn và là mức năng lượng mà khả năng được lấp đầy bởi một election hay không là bằng nhau. Vì lý do này mà silic gần như là chất cách điện ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, việc pha tạp các nguyên tố nhóm nitơ như phosphor, arsenic, hay antimon vào silic sẽ đưa thêm một electron vào mỗi chất pha tạp và sau đó chúng có thể được kích thích vào dải dẫn bằng nhiệt hoặc quang phân, cho ra chất bán dẫn loại n. Tương tự như vậy, nếu pha tạp các nguyên tố nhóm 13 như bor, nhôm, hay gali sẽ khiến các electron được kích thích từ vùng hóa trị đã lấp đầy bị giữ lại, cho ra chất bán dẫn loại p. Kết nối silic kiểu n với silic kiểu p tạo ra mặt tiếp giáp p-n với mức Fermi giống nhau; electron di chuyển từ n đến p, còn lỗ khuyết dương di chuyển từ p đến n, sự dẫn đến sự sụt giảm điện áp. Mặt tiếp giáp p–n này từ đó trở thành một diode mà có thể chỉnh lưu dòng điện xoay chiều cho phép dòng điện dễ dàng đi qua một hướng. Một transistor là một n–p–n junction, với một lớp silic loại p mỏng kẹp giữa hai chất bán dẫn loại p. Việc phân cực cực phát qua một điện áp thuận nhỏ và cực thu qua một điện áp ngược lớn cho phép bóng bán dẫn hoạt động như một bộ khuếch đại triode.

Cấu trúc tinh thể
Silic kết tinh trong một cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ ở điều kiện chuẩn, cụ thể là trong mạng tinh thể kim cương lập phương. Do đó mà silic có nhiệt độ nóng chảy cao (1414 °C) vì cần rất nhiều năng lượng để phá vỡ các liên kết cộng hóa trị mạnh và làm chảy chất rắn. Khi nóng chảy, silic co lại khi mạng lưới liên kết tứ diện tầm xa bị phá vỡ và các khoảng trống trong mạng lưới đó được lấp đầy, tương tự như nước đá khi liên kết hydro bị phá vỡ khi làm nóng. Silic không có bất kỳ dạng thù hình ổn định nhiệt động nào ở áp suất chuẩn, nhưng một số cấu trúc tinh thể khác ở áp suất cao hơn đã được biết đến. Xu hướng chung là khi áp suất tăng thì số phối trí sẽ tăng theo, đạt đến đỉnh điểm là dạng thù hình lục giác xếp chặt ở khoảng 40 °C được gọi là Si–VII (biến thể chuẩn là Si–I). Một dạng thù hình khác gọi là BC8 (hoặc bc8), có mạng tinh thể lập phương tâm khối với tám nguyên tử trên một ô đơn vị nguyên thủy, có thể được tạo ra ở áp suất cao mà vẫn ổn định trong môi trường áp suất thấp. Các tính chất của nó đã được nghiên cứu chi tiết.

Nhiệt độ sôi của silic là 3265&nbsp;°C. Mặc dù đây là con số lớn, nhưng giá trị này vẫn thấp hơn nhiệt độ thăng hoa của nguyên tố đi trước carbon (3642&nbsp;°C). Tương tự, nhiệt hóa hơi của silic thấp hơn so với carbon, phù hợp với thực tế là liên kết Si–Si yếu hơn liên kết C–C.

Cũng có thể xây dựng các lớp silicen từ silic tương tự graphen. do chỉ duy nhất đồng vị này có spin hạt nhân (I =). Cả ba đồng vị này được tạo ra từ siêu tân tinh loại Ia qua quá trình đốt cháy oxy, trong đó {{chem2|^{28}Si}} được tạo thành một phần từ quá trình alpha và do đó là đồng vị phổ biến nhất. Quá trình 28Si hợp hạch với hạt alpha bằng sự sắp xếp lại do quang phân rã trong các ngôi sao được gọi là quá trình đốt cháy silic; đây là giai đoạn cuối cùng trong quá trình tổng hợp hạt nhân sao trước khi ngôi sao đó sụp đổ nhanh chóng và phát nổ dữ dội trong siêu tân tinh loại II.

22 đồng vị phóng xạ của silic đã được phân loại; hai đồng vị ổn định nhất trong số này là {{chem2|^{32}Si}} với chu kỳ bán rã là khoảng 150&nbsp;năm, và {{chem2|^{31}Si}} với chu kỳ bán rã 2,62&nbsp;tiếng. Các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã dưới 7 giây, và phần lớn trong số này có chu kỳ bán rã dưới một phần mười giây. Silic có một đồng phân hạt nhân đã biết, 34mSi, có chu kỳ bán rã dưới 210&nbsp;nano giây. 32Si trải qua quá trình phân rã beta năng lượng thấp thành {{chem2|^{32}P}} và sau đó là thành {{chem2|^{32}S}} ổn định. {{chem2|^{31}Si}} có thể được tạo từ quá trình kích hoạt neutron của silic tự nhiên và do đó có vai trò quan trọng trong phân tích định lượng; có thể dễ dàng phát hiện đồng vị này từ quá trình phân rã beta thành {{chem2|^{31}P}} ổn định đặc trưng, trong đó năng lượng từ electron phát ra có thể lên đến 1,48 MeV.

Các đồng vị đã biết của silic có số khối từ 22 đến 46. Cơ chế phân rã phổ biến nhất của các đồng vị có số khối nhỏ hơn giá trị của ba đồng vị ổn định là phân rã β+, với sản phẩm phân rã chủ yếu là các đồng vị của nhôm (13 proton). Cơ chế phân rã phổ biến nhất của các đồng vị nặng không bền là phân rã beta, với sản phẩm phân rã chủ yếu là các đồng vị phosphor (15 proton).

Silic có thể thâm nhập đại dương thông qua dòng chảy từ nước ngầm và sông. Các dòng nước ngầm có lưu lượng lớn thường có thành phần đồng vị khác so với silic từ nguồn sông. Sự thay đổi đồng vị trong nước ngầm và dòng chảy sông góp phần tạo nên sự biến thiên trong giá trị đồng vị {{chem2|^{30}Si}} trong đại dương. Hiện nay có sự khác biệt đáng kể trong giá trị đồng vị của vùng nước sâu giữa các bồn trũng đại dương trên thế giới. Biển Đại Tây Dương và Thái Bình Dương có độ chênh lệch đồng vị {{chem2|^{30}Si}} trong nước sâu lớn hơn 0,3 phần nghìn. {{chem2|^{30}Si}} thường được gắn liền với mức độ hoạt động trong đại dương.

Tính chất hóa học

Silic tinh thể dạng khối khá trơ về mặt hóa học, nhưng hoạt tính sẽ gia tăng ở nhiệt độ cao. Tương tự nhôm, silic được bao phủ bởi lớp silic dioxide () mỏng và liên tục, giúp bảo vệ nguyên tố khỏi quá trình oxy hóa. Vì lý do này mà silic không phản ứng đáng kể với không khí ở nhiệt độ dưới 900&nbsp;°C. Từ 950&nbsp;°C đến 1160&nbsp;°C, tốc độ hình thành lớp dioxide ánh thủy tinh nhanh chóng gia tăng, và ở nhiệt độ 1400&nbsp;°C, nitơ trong không khí phản ứng với silic để cho ra các nitride SiN và . Silic phản ứng với lưu huỳnh dạng khí ở nhiệt đố 600&nbsp;°C và phosphor dạng khí ở 1000&nbsp;°C. Tuy nhiên, lớp oxide này không thể ngăn silic phản ứng với các halogen; fluor phản ứng mãnh liệt với silic ở nhiệt độ thường, chlor phản ứng ở nhiệt độ 300&nbsp;°C, còn brom với iod phản ứng ở nhiệt độ 500&nbsp;°C. Silic không tác dụng với hầu hết acid chứa nước, nhưng lại bị oxi hóa trong acid hydrofluoric chứa chlor hoặc acid nitric để tạo phức là hexafluorosilicat. Silic dễ dàng hòa tan trong kiềm nóng chảy để tạo silicat. Silic cũng phản ứng với alkyl halide ở nhiệt độ cao; có thể dùng chất xúc tác là đồng cho các phản ứng này để trực tiếp tổng hợp các hợp chất cơ-silic chloride dùng làm tiền chất cho các polime silicon. Khi nóng chảy, silic có tính phản ứng rất cao; nó tạo hợp kim với hầu hết các kim loại để tạo thành silicide và khử hầu hết các oxide kim loại vì nhiệt hình thành của silic dioxide rất lớn. Trên thực tế, silic nóng chảy phản ứng với hầu hết mọi vật liệu nấu chảy đã biết (ngoại trừ oxide của chính nó, ) Điều này là do lực liên kết mạnh của silic với các nguyên tố nhẹ và khả năng hòa tan tốt của silic với hầu hết các nguyên tố.

Các hợp chất silic thường có cấu trúc hình tứ diện tương tự các hợp chất carbon. Tuy nhiên, vì phân lớp 3p khuếch tán hơn phân lớp 2p và không lai hóa tốt với phân lớp 3s nên tính chất hóa học của silic và các đồng loại nặng hơn của nó có sự khác biệt đáng kể so với carbon, vì thế mà phối trí hình bát diện cũng rất quan trọng. Ví dụ, độ âm điện của silic (1,90) thấp hơn đáng kể so với carbon (2,55) vì các electron hóa trị của silic cách xa hạt nhân hơn so với các electron hóa trị của carbon và do đó chịu lực hút tĩnh điện nhỏ hơn từ hạt nhân. Sự chồng chéo kém của các orbital 3p cũng dẫn đến xu hướng tự liên kết (hình thành liên kết Si–Si) của silic thấp hơn nhiều so với carbon, do sự suy yếu đồng thời của liên kết Si–Si khi so với liên kết C–C: năng lượng trung bình của liên kết Si–Si là khoảng 226&nbsp;kJ/mol, so với 356&nbsp;kJ/mol của liên kết C–C. Việc này khiến các hợp chất silic nhiều liên kết thường kém bền hơn đáng kể so với các hợp chất carbon tương ứng, một ví dụ của quy tắc liên kết đôi. Mặt khác, sự xuất hiện của các nút xuyên tâm trong các orbital 3p của silic gợi ý khả năng có hóa trị cực đại, như thấy trong các dẫn xuất năm và sáu phối tử của silic như và .

Quá trình kết tinh mắc ma thành đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố; trong số đó là có thành phần hóa học của mắc ma, tốc độ làm nguội và một số tính chất của từng khoáng vật được hình thành như năng lượng mạng, nhiệt độ nóng chảy và độ phức tạp của cấu trúc tinh thể của chúng. Khi mắc ma nguội, olivine xuất hiện trước, theo sau là pyroxen, amphibol, mica biotit, orthoclas, mica muscovit, thạch anh, zeolit, và cuối cùng là khoáng vật thủy nhiệt. Chuỗi này cho thấy xu hướng tạo thành các đơn vị silicat ngày càng phức tạp hơn khi mắc ma nguội và có sự xuất hiện của các anion hydroxide và flouride ngoài các oxide. Nhiều kim loại có thể thay thế silic. Sau khi các loại đá mắc ma này trải qua quá trình phong hóa, vận chuyển và lắng đọng, các loại đá trầm tích như đất sét, đá phiến sét và đá sa thạch được hình thành. Quá trình biến chất cũng có thể xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao, từ đó tạo ra nhiều loại khoáng chất đa dạng hơn.

Có bốn nguồn tạo ra dòng silic vào đại dương: phong hóa hóa học đá lục địa, vận chuyển sông, hòa tan silicat lục địa, và phản ứng giữa bazan dưới biển và chất lỏng thủy nhiệt giải phóng silic hòa tan. Cả bốn dòng này đều có mối liên hệ với nhau trong chu trình sinh địa hóa của đại dương vì ban đầu chúng đều được hình thành từ quá trình phong hóa vỏ Trái Đất.

Có khoảng 300 đến 900 triệu tấn bụi gió được đưa vào đại dương hằng năm. Trong số này, 80 đến 240 triệu tấn là dưới dạng bụi silic. Tổng lượng hạt silic lắng đọng vào đại dương vẫn hơn lượng silic tràn vào đại dương thông qua đường sông. Lượng silic sinh đá dạng hạt gió đầu vào Bắc Đại Tây Dương và Tây Bắc Thái Bình Dương là kết quả của bụi lắng đọng trên đại dương từ lần lượt sa mạc Sahara và sa mạc Gobi. Ferrosilicon được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sắt và thép (xem bên dưới) với công dụng chính là phụ gia hợp kim trong sắt hoặc thép và để khử oxy hóa thép trong các nhà máy thép tích hợp.

Một phản ứng khác mà thỉnh thoảng được áp dụng là phản ứng sử dụng nhôm để khử silic dioxide như sau:

: 3 + 4 Al → 3 Si + 2

Rửa bột silic tinh khiết 96–97% bằng nước cho ra silic có độ tinh khiết khoảng 98,5%, được ứng dụng trong công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên, để ứng dụng trong ngành bán dẫn thì cần độ tinh khiết cao hơn nhiều. Loại silic này được sản xuất từ quá trình khử silic tetrachloride hoặc silic trichloride. Silic tetrachloride được thu bằng cách chlor hóa silic phế liệu, còn silic trichloride là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất silicon. Các hợp chất này đều dễ bay hơi nên có thể tinh chế bằng cách chưng cất phân đoạn nhiều lần, sau đó được khử thành silicon nguyên tố bằng kim loại kẽm tinh khiết cao. Các mảnh silic xốp tạo thành sau đó được nấu chảy và kéo thành tinh thể đơn hình trụ, rồi tiếp tục tinh chế bằng phương pháp tinh luyện vùng (zone refining). Một số quy trình khác sử dụng sự phân hủy nhiệt của silan hoặc silic tetraiodide (SiI₄). Ngoài ra còn có phương pháp khử natri hexafluorosilicat, một chất thải phổ biến từ ngành sản xuất phân bón phosphate, bằng natri kim loại; vì phản ứng này tỏa nhiệt mạnh nên không cần nguồn năng lượng bên ngoài. Silicon siêu tinh khiết được sản xuất ở độ tinh khiết cao hơn hầu hết mọi vật liệu khác: sản xuất transistor đòi hỏi mức tạp chất trong tinh thể silicon dưới 1 phần 1010, và trong những trường hợp đặc biệt đòi hỏi mức tạp chất dưới 1 phần 1012.

Các cấu trúc nano silicon có thể được sản xuất trực tiếp từ cát silica bằng các quy trình khử oxide kim loại truyền thống, hoặc bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy. Có thể áp dụng những vật liệu silicon cấu trúc nano này trong nhiều lĩnh vực, bao gồm làm cực dương cho pin lithium-ion, các loại pin ion khác, các thiết bị tính toán trong tương lai như memristor, hoặc trong các ứng dụng quang xúc tác.

Ứng dụng

Hợp chất
Silic phần lớn được sử dụng trong công nghiệp mà không cần tinh chế, thường chỉ được xử lý tương đối ít so với dạng tự nhiên. 90% vỏ Trái đất được cấu thành từ các khoáng vật silicat, là các hợp chất của silic và oxy, thường đi kèm các ion kim loại để cân bằng điện tích âm của các anion silicat. Nhiều khoáng vật trong số này có ứng dụng thương mại trực tiếp như đất sét, cát silica và phần lớn các loại đá xây dựng. vì vậy mà các ứng dụng của silic đa phần là dưới dạng các hợp chất cấu trúc, hoặc là khoáng chất silicat hoặc silica (silic dioxide thô). Silicat được ứng dụng trong sản xuất xi măng Portland (có thành phần chủ yếu là calci silicat), được sử dụng trong vữa xây dựng và vữa trát hiện đại; quan trọng hơn, khi kết hợp xi măng với cát silic và sỏi (thường chứa các khoáng chất silicat như đá granit) tạo ra bê tông, nền tảng của hầu hết các dự án xây dựng công nghiệp lớn nhất thế giới thời hiện đại.

Silica được sử dụng để sản xuất gạch chịu lửa, một dạng của gốm. Các khoáng chất silicat cũng có trong gốm sứ trắng, một nhóm sản phẩm quan trọng thường chứa nhiều loại khoáng chất đất sét nung (các phyllosilicat nhôm tự nhiên). Một ví dụ là sứ, được làm từ khoáng chất silicat kaolinit. Thủy tinh truyền thống (thủy tinh soda-lime gốc silica) cũng có nhiều ứng dụng tương tự và được sử dụng để làm cửa sổ và vật chứa. Ngoài ra, sợi thủy tinh gốc silica chuyên dụng được dùng làm sợi quang học, cũng như để sản xuất sợi thủy tinh dùng làm vật liệu hỗ trợ cấu trúc và bông thủy tinh để cách nhiệt.

Silicon thường được sử dụng trong các chất chống thấm, hợp chất tạo khuôn, chất tách khuôn, gioăng làm kín cơ khí, mỡ và sáp chịu nhiệt độ cao, và chất trám khe. Silicon cũng đôi khi được sử dụng trong cấy ghép ngực, kính áp tròng, chất nổ và pháo hoa. Đồ chơi Silly Putty ban đầu được tạo ra bằng cách trộn acid boric với dầu silicon. Các hợp chất silic khác hoạt động như chất mài mòn công nghệ cao và các loại gốm sứ cường độ cao mới dựa trên silic carbide. Silic là thành phần của một số hợp kim siêu bền.

Silic là nguyên tố rất có ích, là cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp. Dioxide silic trong dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong chế tạo bê tông và gạch cũng như trong sản xuất xi măng Portland. Silic là nguyên tố rất quan trọng cho thực vật và động vật. Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệ tế bào. Các ứng dụng khác có:

Gốm/men sứ - Là vật liệu chịu lửa sử dụng trong sản xuất các vật liệu chịu lửa và các silicat của nó được sử dụng trong sản xuất men sứ và đồ gốm.
Thép - Silic là thành phần quan trọng trong một số loại thép.
Đồng thau - Phần lớn đồng thau được sản xuất có chứa hợp kim của đồng với silic.
Thủy tinh - Silica từ cát là thành phần cơ bản của thủy tinh. Thủy tinh có thể sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với những thuộc tính lý học khác nhau. Silica được sử dụng như vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai lọ), và sứ cách điện cũng như nhiều đồ vật có ích khác.
Giấy nhám - Carbide silic là một trong những vật liệu mài mòn quan trọng nhất.
Vật liệu bán dẫn - Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêm asen, bo, gali hay phosphor để làm silic dẫn điện tốt hơn trong các transistor, pin mặt trời hay các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử và các ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác.
Trong các photonic - Silic được sử dụng trong các laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456&nbsp;nm.
Vật liệu y tế - Silicon là hợp chất dẻo chứa các liên kết silic-oxy và silic-carbon; chúng được sử dụng trong các ứng dụng như nâng ngực nhân tạo và lăng kính tiếp giáp (kính úp tròng).
LCD và pin mặt trời - Silic vô định hình có hứa hẹn trong các ứng dụng như điện tử chẳng hạn chế tạo màn hình tinh thể lỏng (LCD) với giá thành thấp và màn rộng. Nó cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời.
Xây dựng - Silica là thành phần quan trọng nhất trong gạch vì tính hoạt hóa thấp của nó. Ngoài ra nó còn là một thành phần của xi măng.

Làm tinh khiết
Việc sử dụng silic trong các thiết bị bán dẫn đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao hơn so với sản xuất bằng phương pháp trên. Có một số phương pháp làm tinh khiết silic được sử dụng để sản xuất silic có độ tinh khiết cao.

Phương pháp vật lý
Các kỹ thuật làm tinh khiết silic đầu tiên dựa trên cơ sở thực tế là nếu silic nóng chảy và sau đó đông đặc lại thì những phần cuối khi đông đặc bao giờ cũng chứa nhiều tạp chất. Các phương pháp sớm nhất để làm tinh khiết silic, lần đầu tiên được miêu tả năm 1919 và sử dụng trong một số hữu hạn nền tảng để sản xuất các thành phần của rađa trong Đại chiến thế giới lần thứ hai, bao gồm việc đập vỡ silic phẩm chất công nghiệp và hòa tan từng phần bột silic trong acid. Khi bị đập vỡ, silic bị làm vỡ để những khu vực có nhiều tạp chất yếu hơn sẽ nằm ra phía ngoài của các hạt silic được tạo ra, chúng sẽ bị acid hòa tan, để lại sản phẩm tinh khiết hơn.

Trong khu vực nung chảy, phương pháp đầu tiên làm tinh khiết silic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, các thỏi silic phẩm cấp công nghiệp được nung nóng tại một đầu. Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động rất chậm dọc theo chiều dài của thỏi, giữ cho chỉ một đoạn ngắn của thỏi nóng chảy và silic được làm nguội và tái đông đặc ở phía sau nó. Vì phần lớn các tạp chất có xu hướng nằm trong phần nóng chảy hơn là trong phần tái đông đặc, nên khi quá trình này kết thúc, phần lớn tạp chất của thỏi sẽ chuyển về đầu nóng chảy sau cùng. Đầu này sau đó bị cắt bỏ, và quy trình này được lặp lại nếu muốn có silic với phẩm cấp cao hơn.

Phương pháp hóa học
Ngày nay, silic được làm sạch bằng cách chuyển nó thành các hợp chất silic để dễ dàng làm tinh khiết hơn là làm tinh khiết trực tiếp silic, và sau đó chuyển hợp chất của nó trở lại thành silic nguyên chất. Triclorosilan là hợp chất của silic được sử dụng rộng rãi nhất như chất trung gian, mặc dầu tetrachloride silic và silan cũng được sử dụng. Khi các khí này được thổi qua silic ở nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo ra silic có độ tinh khiết cao.

Trong công nghệ Siemens, các thỏi silic có độ tinh khiết cao được đưa vào triclorosilan ở nhiệt độ 1150&nbsp;°C. Khí triclorosilan phân hủy và lắng đọng silic bổ sung trên thỏi, làm to nó theo phản ứng sau:

:2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4

Silic sản xuất từ phương pháp này và các công nghệ tương tự gọi là silic đa tinh thể. Silic đa tinh thể thông thường có tạp chất ở mức một phần tỷ hoặc thấp hơn.

Cùng thời gian đó, DuPont đã sản xuất silic siêu sạch bằng cách cho tetrachloride silic phản ứng với hơi kẽm nguyên chất ở nhiệt độ 950&nbsp;°C, theo phản ứng:

:SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2

Tuy nhiên, kỹ thuật này đã vấp phải những vấn đề thực tế (chẳng hạn như sản phẩm phụ chloride kẽm đông đặc lại và dính vào sản phẩm) và cuối cùng nó đã bị bỏ đi để sử dụng chỉ mỗi công nghệ Siemens.
An toàn
Một người có thể tiếp xúc với silic nguyên tố trong môi trường làm việc qua đường hô hấp, đường miệng, da và mắt. Trong hai trường hợp cuối cùng, silic gây kích ứng nhẹ và có thể gây hại nếu hít phải. Cơ Quan Bảo Vệ Sức Khỏe và An Toàn Lao động tại Hoa Kỳ (OSHA) quy định giới hạn tiếp xúc hợp pháp với silicon trong môi trường làm việc là 15&nbsp;mg/m3 bụi toàn và 5&nbsp;mg/m3 bụi hô hấp trong một ca làm việc 8 tiếng. Viện An toàn và Sức khỏe lao động của Hoa Kỳ (NIOSH) khuyến nghị giới hạn tiếp xúc là 10&nbsp;mg/m3 tổng cộng và 5&nbsp;mg/m3 bụi hô hấp trong một ca làm việc 8 tiếng. Tại Việt Nam, Bộ Y tế quy định giới hạn tiếp xúc trong một ca làm việc 8 tiếng là 0,3&nbsp;mg/m3 bụi toàn phần và 0,1&nbsp;mg/m3 bụi hô hấp.
Hít phải bụi silica tinh thể có thể gây ra bụi phổi silic, một bệnh phổi nghề nghiệp đặc trưng bởi tình trạng viêm và sẹo hình thành các nốt ở thùy trên của phổi.

Ghi chú

Tham khảo

Thư mục






Liên kết ngoài
Los Alamos National Laboratory – Silicon

WebElements.com – Silicon
EnvironmentalChemistry.com – Silicon
Mineral.Galleries.com – Silicon