矽

<image>

矽（Silicon），是一種化學元素，化學符號為矽，原子序數為14。

矽是外觀帶著灰藍色金屬光澤且堅硬易碎的晶體，亦是一種四價的類金屬半導體。矽為週期表第十四族元素之一：碳在其排序之上，其下依序為鍺、錫、鉛和鈇。矽相對不活潑。矽是植物體內若干生理和新陳代謝活動的必需元素。矽作為一種半導體材料在多種電子設備中廣泛使用，例如電晶體，太陽能電池和集成電路。矽由於其低成本、優異的電氣性質和靈活的物理特性主導了半導體產業應用。

由於它對於氧的高親和力，直至在西元1823年才第一次被永斯·貝采利烏斯成功純化。其氧化物可形成一類被成為矽酸根的陰離子。它的熔點和沸點分別為攝氏1414度及3265度，在類金屬中排名第二，僅次於硼。

矽在宇宙中最常見元素中排名第八，但以元素型態分佈在地殼是非常罕見的。它常以二氧化矽或矽酸鹽等多樣的形式廣泛分佈於土壤、沙和小行星和行星中。地殼的組成超過九成是矽酸鹽類物質，使得矽成為地殼中含量第二的元素，僅次於氧。

矽大多數情況下不分離即商用，通常會以甚少加工的天然礦物形式使用，其用途廣泛：包括建築業使用的粘土、矽砂和石頭。水泥中的砂漿和灰泥組成也含有矽酸鹽，可與矽砂和礫石混合成混凝土，用於走道、地基、道路上。它們還用於白色陶瓷，像是瓷器，也可用於製造傳統的石英砂鈉鈣玻璃和許多其他特殊玻璃。矽最廣為人知的用途是去合成以聚矽氧聚合物為基礎的合成聚合物。有些矽的化合物，像是碳化矽可用作研磨物或高強度陶瓷元件。矽是一類被稱為矽酮的聚合物的基礎，這類聚合物有廣泛的用途。

由於矽元素對現代世界經濟的重大影響，20世紀末到21世紀處被稱為矽晶時代（亦作數字時代或資訊時代）。大多數游離的矽被用於鍊鋼、鑄鋁和高質量的化工業上（通常是製造氣相二氧化矽）。更顯著的是，半導體電子業運用極少部分的高純度矽（小於15％），而高純度矽在積體電路上是一種必要的元素，大部分的電腦、手機及現代科技都依靠它。2019年，半導體產業32.4%的份額用於網路和通信設備，而預計到2027年，半導體產業規模將達到7267.3億美元。

在生物學裡，矽是一種必要的元素。動物通常對於矽的需求是微量的，但在多種的海綿動物門及微生物裡，像是矽藻及放射蟲會分泌由二氧化矽組成的骨骼物質。二氧化矽亦通常沉澱於植物組織中。

## 歷史

由於地殼中矽的含量豐富，天然矽基材料已有數千年的使用歷史。各大古文明都熟知石英晶體，前王朝時期的埃及人和古代中國人就將其用於製造珠子和小花瓶。埃及人至少從公元前1500年開始製造含有二氧化矽的玻璃，同期古代腓尼基人也有製造。天然矽酸鹽化合物也被用於各種類型的砂漿中，用於建造早期人類居所。

### 發現

<image>

1787年，安托萬·拉瓦錫懷疑二氧化矽可能是某種基本化學元素的氧化物，但矽對氧的化學親和力太高，他沒法將其從氧化物中還原分離。1808年，漢弗萊·戴維爵士亦嘗試分離矽未果。

據信，蓋-呂薩克和泰納爾於1811年通過將新近分離的金屬鉀和四氟化矽一起加熱製備了不純的非晶矽，但他們沒有提純、表徵產物，也沒有將其鑑定為一種新元素。1823年，永斯·雅各布·貝采利烏斯使用與蓋-呂薩克大致類似的方法（用熔融的金屬鉀還原氟矽酸鉀）製備了非晶矽，但通過反覆洗滌將產物提純為棕色粉末，並於次年（1824）發表此成果。因此他被認為是該元素的發現者。發現矽的同期，貝采利烏斯成為第一個製備四氯化矽（SiCl4）的人；而四氟化矽早在1771年就由卡爾·威廉·舍勒通過使用氫氟酸溶解二氧化矽製備。1846年，J.馮·挨貝爾曼合成了原矽酸四乙酯（Si(OC2H5)4）。

<image>

更常見的晶體形式的矽直到1845年才由德維爾製備出來。將氯化矽蒸汽通過純鋁，生成了純淨、堅硬的八面體晶體。弗里德里希·維勒發現了第一種揮發性矽氫化物，於1857年合成了三氯矽烷，並於1858年合成了矽烷本身。然而，儘管早在19世紀30年代有機合成化學的開端就有人就對矽烷的存在有所推測，但直到20世紀初，阿爾弗雷德·斯托克（Alfred Stock）才對矽烷進行了詳細的研究。類似地，第一種有機矽化合物四乙基矽烷是由查爾斯·弗里德爾和詹姆斯·克拉夫茨在1863年合成的，但直到20世紀初，弗里德里克·基平（Frederick Kipping）才對有機矽化學進行了詳細的表徵。

自1920年代開始，威廉·勞倫斯·布拉格在X射線晶體學方面的工作闡明了矽酸鹽的組成，這些組成先前在分析化學中已為人所知，但尚未能夠理解。此外。萊納斯·鮑林發展了晶體化學，維克多·戈德施密特發展了地球化學。20世紀中期，矽氧烷的化學和工業用途得到發展，矽酮聚合物、彈性體和樹脂的使用日益增多。20世紀後期，人們繪製了矽化合物的複雜晶體化學結構圖，並研究了摻雜半導體的固體物理性質。

### 命名

1808年，漢弗里·戴維爵士嘗試分離矽未果之後，提議將矽命名為「silicium」，該名字源於拉丁語silex，silicis，意為燧石。他在名稱後加上後綴「-ium」，因為他認為矽是金屬元素。大多數其他語言沿用戴維名字的音譯形式，有時會根據當地的語音進行調整（例如德語的Silizium、土耳其語的silisyum、加泰隆尼亞語的silici、亞美尼亞語的Սիլիցիում或者Silitzioum）。還有一些其他語言使用拉丁語詞根的仿譯形式（例如俄語的 кремний，源自 кремень ——"燧石」；希臘語的πυρίτιο，源自πυρ——「火」；芬蘭語的pii，源自piikivi ——「燧石」，捷克語的křemík，源自křemen——「石英」、「燧石」）。1817年（部分文獻載為1831年），蘇格蘭化學家托馬斯·湯姆森將矽命名為現在的名稱。他保留了戴維名字的一部分，但用了「-on」後綴，因為他認為矽是一種類似於硼和碳的非金屬。

1837年，日本第一部西方化學譯著，宇田川榕庵的《舍密開宗》首先以「珪土」作為矽元素的名稱。該書術語譯自荷蘭語詞彙，由於當時荷蘭語矽的元素名為「keiaarde」，是「keisteen-aarde」（燧石土）的縮略，日本就專門找了一個玉字旁的同音字「珪」（平假名：，漢語：ㄍㄨㄟ，是「圭」的異體字）來音譯「kei」。因此「keisteen」就譯成「珪石」，作為SiO2的名稱；由於當時荷蘭語中的鎂、鋁、矽、鋇等元素都是以「-aarde」（土）結尾，因此日語也分別照譯成苦土、礬土、珪土、重土。後來日本摒棄了源自荷蘭語的「土」，改譯為「珪素」，在19世紀後期又出現了「矽素」的寫法，不過19世紀末日本規定以「珪素」為準。「珪/矽」進入中國是20世紀初，由於它屬於固態非金屬元素，所以中國採用了石字旁的寫法。

在中國，清朝徐壽在1871年出版的《化學鑑原》中，創造「矽」字作為silicon的音譯。在中華民國成立後，中華民國教育部於1933年公布《化學命名原則》，採用「矽」為正式譯名，音讀為「si(t)，夕（入）」，其中寫道「Silicon舊譯一作矽，一作矽，矽由日名珪素孳演而成，因爲固體，故改王旁爲石；於義旣無可取，不如用諧聲之矽。」中華民國以此為標準譯名。

中華人民共和國成立後，中國科學院於1953年2月在北京組織召開了一次全國性的化學物質命名擴大座談會。會議邀集全國各地的化學專家以及從事文字改革工作的學者參加。據會議紀要顯示，當日會場上圍繞矽字等同音字是否需要變更有著兩種不同的看法。一派是以顧翼東、方柏容、劉澤先三位先生為代表，主張改；另一派則以符綬璽、侯毓汾二位先生為代表，主張不改。座談會結束後不久，《化學通報》連載了化學名詞審查小組成員陶坤的文章——《化學新字的讀音》上、下兩篇。在下篇中，陶文宣布將矽字改為矽字，在註解中，他陳述了更改的理由：「矽音夕，與硒、烯、醯、錫不易分辨。」真正全國性的統一變更是在1957年。這一年，中國科學院編譯出版委員會名詞室下發《關於幾個化學名詞訂名問題的通知》，正式宣布廢矽改矽的決定。通知中提到了審定理由和過程：「1953年化學名詞審查小組建議將『矽』改為『矽』，1955年，無機化合物名詞審查小組認為此項建議甚為正確，在徵求全國各有關單位意見後，決議將『矽』改為『矽』。」不過，在一些術語中，如醫學術語「矽肺」、工業術語「矽鋼片」中，中華人民共和國仍然保留了矽字（讀作ㄒㄧ）。在香港，兩用法皆有，但「矽」較通用。

### 矽半導體

最早的半導體器件並未使用矽，而是使用了方鉛礦。例如1874年德國物理學家費迪南德·布勞恩發明的晶體檢波器和1901年印度物理學家賈格迪什·錢德拉·玻色於1901年發明的無線電晶體檢波器。第一個矽半導體器件是美國工程師格林利夫·惠蒂爾·皮卡德於1906年開發的矽無線電晶體檢波器。

1940年，拉塞爾·奧爾發現了矽中的p-n結和光電效應。1941年，高純鍺和矽晶體的生產技術開始研發，為二戰期間的雷達微波晶體檢波器提供原料。1947年，物理學家威廉·肖克利提出了由鍺和矽製成的場效應放大器的理論，但他未能製造出可用器件，最終轉而使用鍺。最早的可用電晶體是由約翰·巴丁和沃爾特·布拉頓在肖克利的指導下同年晚些時候製造的點接觸電晶體。1954年，物理化學家Morris Tanenbaum在貝爾實驗室製造了首個矽結型電晶體。1955年，貝爾實驗室的Carl Frosch和LincolnDerick意外發現二氧化矽（SiO2）可以在矽上生長。1957年，Frosch和Derick發表了他們關於第一個人造二氧化矽半導體氧化物電晶體的研究成果：這是第一個平面電晶體，其漏極和源極位於同一表面。1959年，羅伯特·諾伊斯在仙童半導體開發第一個矽基積體電路，該電路建立在傑克·基爾比先前使用鍺作為半導體的工作之上。

### 矽晶時代

<image>

「矽晶時代」（亦作數位時代或資訊時代）指的是20世紀末到21世紀初。這是由於矽是電子和資訊技術中使用的主要材料。類似於石器時代、青銅時代和鐵器時代一樣用各自文明時期的主要材料來命名。

矽是高科技半導體器件的重要元素，世界上許多地方都以它命名。例如加利福尼亞的聖克拉拉谷就因為矽元素是當地的半導體產業的基礎而得名「矽谷」。此後，許多其他地方也得到了類似的稱謂，例如以色列的矽溪（Silicon Wadi）、俄勒岡州的矽林（Silicon Forest）、德克薩斯州奧斯汀的矽山（Silicon Hills）、猶他州鹽湖城的矽坡（Silicon Slopes）、德國的矽薩克森（Silicon Saxony）、印度矽谷（Silicon Valley）等

## 性質

### 物理性質和原子性質

<image>

矽原子擁有十四個電子。基態電子排布為Ne3s23p2。其中4個是價電子，占據3s軌道和3p軌道中的兩個。和同族的其他元素，例如較輕的碳和較重的鍺、錫、鉛一樣，它的價電子數和價軌道數相同：所以它可以通過形成sp3雜化軌道來達到氬的稀有氣體穩定八電子排布，形成四面體SiX4衍生物，中央的矽原子和連接的四個原子共用電子對。矽的前四個電離能分別為786.3、1576.5、3228.3和4354.4 kJ/mol；這些數值足夠高，說明該元素不會存在簡單陽離子。根據元素周期律，其單鍵共價半徑為117.6 pm，位於碳（77.2 pm）和鍺（122.3 pm）之間。矽的六配位離子半徑可視為40 pm，但考慮到簡單矽陽離子（Si4+）並不存在，這只能視為純理論數值。

#### 電氣性質

在標準溫度和壓強下，矽是一種閃亮的半導體，具有藍灰色金屬光澤；與典型的半導體一樣，其電阻率隨溫度升高而降低。這是因為矽的最高占據能級（價帶）和最低未占據能級（導帶）之間的間隙（帶隙）較小。室溫下矽的帶隙為1.12 eV，在熱力學溫度0 K時為1.21 eV。費米能級大約位於價帶和導帶的中間位置，是電子占據與否機率均等的能量位置。是故純矽在室溫下實際上是絕緣體。但如果用磷、砷或銻等氮族元素來摻雜矽，每個摻雜原子會引入一個額外的電子，這些電子隨後可以通過熱激發或者光激發進入導帶，從而形成n型半導體。類似地，如果用硼、鋁或者鎵這樣的13族元素來摻雜矽，會引入受主能級，來捕獲可能從充滿的價帶中激發出來的電子，從而形成p型半導體。將n型矽和p型矽連接起來，會形成一個具有共同費米能級的p-n結；電子從n型區流向p型，而空穴從p區流向n區，形成電壓降。因此該p-n結可以作為二極體，整流交流電，使電流更容易單向流動。而晶體三極體擁有n–p–n結的結構，在兩個n型區域之間有一層薄薄的弱p型矽。通過對發射極施加較小的正向電壓，對集電極施加較大的反向電壓，可以使電晶體作為三極體放大器工作。

#### 同素異形體和晶體結構

矽的同素異形體有兩種，一種為暗棕色無定形粉末，用鎂使二氧化矽還原而得，性質比較活潑，能夠在空氣中燃燒，稱無定形矽；另一種為性質穩定的晶體（結晶矽），是用炭在電爐中使二氧化矽還原而得。

在標準狀況下，矽以巨大的共價結構結晶，具體地說，是在金剛石立方晶格（空間群227）中。因此，他的熔點高達1414 ℃，因為需要大量的能量來打破強大的共價鍵並融化固體。像水和其他一些物質一樣，矽表現出密度異常：其液態（Tm = 1685 K）的密度比300 K下的固態晶體（c-Si）高10-11%。這種現象的原因如下：矽融化時，由於長程四面體化學鍵網路斷裂，網路中的空隙被填充，所以矽會收縮，類似於水冰融化時氫鍵斷裂的過程。在標準壓強下，矽並沒有熱力學穩定的同素異形體，但在高壓下有幾種已知的其他晶體結構。總體趨勢是配位數隨著壓強增加而增加，最終在約40吉帕斯卡的時候形成一種六方密堆積的同素異形體，稱為Si–VII（標準狀況下的變體位Si–I）。一種稱為BC8（或bc8）的同素異形體，具有體心立方晶格結構，每個原胞包含8個原子（空間群206），可以在高壓下形成，並且在低壓下保持亞穩態。其性質已被詳細研究。

矽的沸點位3265 °C。雖然這個溫度很高，但仍然低於其較輕的同系的碳的升華溫度（3642 °C）。同樣，矽的汽化熱也低於碳，這與Si-SI鍵比C-C鍵弱的事實相符。

可以構建類似於石墨烯的矽烯層。

#### 機械性能

矽的機械性能是各向異性的（與方向有關）。根據所選晶體取向的不同，彈性模量的值介於130 GPa和188 GPa之間。與所有立方晶體一樣，矽的彈性行為可以用Voigt符號來描述，該符號由三個獨立的彈性常數C11、C12和C44表示。矽的彈性矩陣為：

$$C = \begin{pmatrix}C_{11} & C_{12} & C_{12} &0&0&0 \\ C_{12} & C_{11} & C_{12} &0&0&0 \\ C_{12} & C_{12} & C_{11} &0&0&0 \\ 0&0&0&C_{44}&0&0\\ 0&0&0&0&C_{44}&0\\ 0&0&0&0&0&C_{44}\\ \end{pmatrix}$$

彈性常數具有以下數值：

$$C_{11} = 165{.}7\,\mathrm{GPa}, \qquad C_{12} = 63{.}9\,\mathrm{GPa}, \qquad C_{44} = 79{.}6\,\mathrm{GPa}.$$

矽的米勒指數為(100)、(110)和(111)的各個主晶體方向的彈性模量可以根據彈性常數計算得出：

$$E_{100} = C_{11}-2\frac{C_{12}}{C_{11}+C_{12}}C_{12} \approx 130\,\mathrm{GPa},$$

$$E_{110} = 4\frac{(C_{11}^2+C_{12}C_{11}-2C_{12}^2)C_{44}}{2C_{44}C_{11}+C_{11}^2+C_{12}C_{11}-2C_{12}^2} \approx 169\,\mathrm{GPa},$$

$$E_{111} = 3\frac{C_{44}(C_{11}+2C_{12})}{C_{11}+2C_{12}+C_{44}} \approx 188\,\mathrm{GPa}.$$

從宏觀角度來看，多晶矽表現出各向同性的彈性行為。文獻中給出了相應的彈性模量、剪切模量和泊松比如下：

$$E_\mathrm{poly} = 160\,\mathrm{GPa}, \qquad G_\mathrm{poly} = 65\,\mathrm{GPa}, \qquad \nu_\mathrm{poly} = 0{.}22$$

#### 光學性質

<image>

右圖展示的是矽的復折射率，它取決於光的波長。由此還可以獲取能帶結構資訊。消光係數k的急劇增加表明在370 nm處存在一個直接帶隙躍遷（EΓ1 = 3.4 eV）。在約300 nm處可以觀察到另一個直接帶隙躍遷（EΓ2 = 4.2 eV）。矽的間接帶隙躍遷（Eg = 1.1 eV）只能隱約看出。波長大於400 nm時，k曲線平緩地向外延伸，表明存在更多間接帶隙躍遷。

#### 同位素

天然存在的矽由三種穩定的同位素構成：28Si（92.24%）、 29Si（4.67%）和30Si（3.07%）。其中，只有奇數質量數的29Si可用於核磁共振和電子順磁共振譜圖——該核素的核自旋為I =1。這三種同位素均在Ia型超新星中通過氧燃燒過程產生，其中28Si的產生是α過程的一部分，所以其含量最豐富。恆星中28Si與α粒子通過光致蛻變重排發生聚變的過程叫做矽燃燒過程，它是恆星核合成的最終階段，之後恆星在II型超新星階段迅速坍縮並發生劇烈爆炸。

已鑑定出矽的22种放射性同位素，其中最穩定的兩種分別是半衰期約為157年的32Si和半衰期2.62小時的31Si。其餘的所有放射性同位素的半衰期均小於7秒，其中大多數小於100毫秒。32Si發生低能β衰變變成32P然後是穩定的32S。31Si可以通過中子活化天然矽產生，因而可以用於定量分析；它可以通過其特徵性的β衰變輕鬆檢測，衰變生成穩定的31P, 其中發射的電子攜帶高達1.48 MeV的能量。

已知的矽同位素的質量數範圍為22到45。質量數低於三種穩定同位素的同位素最常見的衰變方式為β+衰變產生鋁同位素。而較重的不穩定同位素最常見的衰變方式是β衰變產生磷同位素。據報告，在放射性同位素束工廠的實驗中，70Zn和Be的碰撞產生了46Si。

矽可以經由地下水和河流輸送進入海洋。大量的地下水輸入的同位素組成和河流的矽輸入不同。地下水和河流輸送中的同位素變化導致海洋中30Si值的變化。目前，世界各地海盆的同位素值存在顯著差異。在大西洋和太平洋之間，深水30Si梯度超過千分之0.3。30Si通常與海洋生物的生物生產力有關。

## 化學反應性和化合物

C｜Si｜H｜F｜Cl｜Br｜I｜O–｜N<

C–X｜368｜360｜435｜453｜351｜293｜216｜~360｜~305

Si–X｜360｜340｜393｜565｜381｜310｜234｜452｜322

四面體鍵合是矽化學中的主要結構基元，正如在碳化學中一樣。然而，矽的3p亞層比2p亞層更彌散，並且與3s亞層的雜化程度也較低。因此，矽及其較重同系物的化學性質與碳存在顯著差異，八面體鍵合也因此變得重要。例如，矽的電負性（1.90）遠小於碳（2.55），這是因為矽的價電子比碳的價電子離原子核更遠，因此受到的來自原子核的靜電吸引力更小。矽的3p軌道重疊較差，導致其成鏈（形成Si-Si鍵）的傾向遠低於碳，這是因為Si–Si鍵相對於C–C鍵而言強度較弱：平均Si–Si鍵能約為226 kJ/mol，而C–C鍵的平均鍵能為356 kJ/mol。這使得多鍵矽化合物通常比其碳對應物穩定性低得多，這是雙鍵規則——第三周期及以後元素較難形成多重鍵——的一個例證。另一方面，矽的3p軌道中存在徑向節點，這表明矽可能具有超價態，例如在五配位和六配位矽衍生物（如SiX5-和SiF62-）。最後，由於隨著同族中周期序數的增加，價層s軌道和p軌道之間的能隙逐漸增大，二價態的重要性從碳到鉛逐漸增強，因此矽也存在一些不穩定的二價化合物；這種主要氧化態的降低，加上原子半徑的增大，導致金屬性沿族序數向下逐漸增強。矽已經表現出一些金屬特性，尤其是在其氧化物以及與酸和鹼的反應中（儘管這需要提供一些條件），因此通常被稱為類金屬而不是非金屬。鍺表現出更強的金屬特性，而錫通常被認為是金屬。

矽與碳之間存在明顯的差異。例如，有機化學與矽化學幾乎沒有相似之處，而矽酸鹽礦物的結構複雜性在含氧碳化合物中是看不到的。矽的結構更接近鍺而非碳，這種相似性因d區收縮——d區電子填滿的第四周期元素的相關效應——而增強，導致鍺原子的大小比周期性趨勢預測的更接近矽原子。然而，由於鍺中二價態的重要性遠高於矽，兩者之間仍然存在一些差異。此外，Ge–O鍵的鍵能低於Si–O鍵的鍵能，因此不存在類似於矽酮聚合物的「鍺酮」聚合物。

### 單質

晶體矽本身性質較為穩定，但在高溫下活性會增強。與鄰近的鋁元素類似，矽表面會形成一層薄而連續的二氧化矽（SiO2）層，保護其下方的材料免受氧化。因此，在900 ℃以下，矽幾乎不與空氣發生反應。在950 ℃至1160 ℃之間，二氧化矽的生成速率迅速增加；當溫度達到1400 ℃時，大氣中的氮氣也會發生反應，生成氮化物SiN和Si3N4。矽在600 ℃時與氣態硫反應，在1000 ℃時與氣態磷反應。但矽表面的這層氧化層並不能阻止矽與鹵素發生反應；氟在室溫下即可與矽發生劇烈反應，氯在約300 ℃時即可與矽發生反應，溴和碘則在約500 ℃時才會與矽發生反應。矽不與大多數水溶液酸反應，但會被含有氯或硝酸的氫氟酸混合物氧化並絡合，生成六氟矽酸鹽。矽易溶於熱的鹼性水溶液中生成矽酸鹽。在高溫下，矽也會與鹵代烷反應；該反應可被銅催化，直接合成有機矽氯化物，作為矽酮聚合物的前體。矽熔化後活性極高，能與大多數金屬合金化生成矽化物，並能還原大多數金屬氧化物，因為二氧化矽的生成熱非常大。事實上，熔融矽幾乎能與所有已知的坩堝材料發生反應（除了它自身的氧化物SiO2）。這是由於矽對輕元素具有很強的結合力，並且對大多數元素具有很強的溶解能力。因此，盛裝液態矽的容器必須由耐火、惰性材料製成，例如二氧化鋯或第4、5和6族硼化物。

### 氫化物

矽的氫化物是一類名為矽烷的化合物，化學式通式為SinH2n+2。此外還有形成環狀的環矽烷。它們是無色氣體或易揮發液體，極易反應，在空氣中會自燃或爆炸。穩定性隨鏈長的增加而降低，只有SiH4在室溫下無限期穩定；Si2H6在室溫下分解非常緩慢（8個月內分解2.5%），Si3H8分解緩慢，而丁矽烷在室溫下分解較快。

純矽烷在石英容器中不與純水或稀酸反應。但玻璃裝置中溶解出的痕量鹼也能催化水解，此時水解反應迅速且完全（SiO2·nH2O + 4H2）。可以用甲醇可控地進行溶劑解反應，反應得到多種產物SiH4-n(OMe)n (n = 2, 3, 4)。Si-H基團能（困難地）與烯烴加成，但取代矽烷更容易發生該反應。類似地，SiH4在450 °C下與Me2CO加成生成C3H7OSiH3，並在相同溫度下開環環氧乙烷生成EtOSiH3和其他產物。矽烷在Cl2或Br2存在下會爆炸，但與Br2的反應可在-80°C下進行，從而獲得較高的SiH3Br和SiH2Br2收率。

### 鹵化物

矽和碳化矽都能與所有鹵素快速反應，生成無色易揮發的活性產物SiX4。當兩種不同的四鹵化物一起加熱時，它們會達到平衡，形成近似隨機分布的矽鹵化物：

$$nSiX4 + (4-n)SiY4 <=> 4SiX_{n}Y_{4-n}$$

式中n=1，2，3。X和Y代表兩種不同的鹵素。

四氯化矽是重要的矽鹵化物，其生產規模達數千噸，用於生產無硼電晶體級矽、氣相二氧化矽以及各種矽酯。四氯化矽與水迅速水解反應生成二氧化矽和氯化氫，同時產生中間體SiCl3(OH)、SiCl2(OH)2和SiCl(OH)3。與此同時還可以通過類似的醇解過程得到矽酯。四氯化矽是典型的親電試劑，它可以與格氏試劑和有機鋰化合物這樣的金屬有機化合物反應。例如它可以和正丁基鋰在乙醚里反應，生成四丁基矽烷。

### 氧化物和酸

矽最典型的氧化物是二氧化矽。二氧化矽是除了水以外研究最深入的化合物之一。目前已經發現了超過20種晶相的二氧化矽。二氧化矽對除氫氟酸以外的所有酸都具有化學耐受性，但在熱濃鹼中溶解緩慢，在熔融的氫氧化物或碳酸鹽中溶解較快，生成矽酸鹽。鹵素中只有氟能輕易與二氧化矽反應，生成四氟化矽和氧氣。在1000 °C以上，二氧化矽也會和氫和碳發生反應。

在1250到1300 ℃，10-4毫米汞柱的氣壓下，二氧化矽和矽可以反應生成不穩定的一氧化矽晶體。一氧化矽會在常溫下分解為W-SiO2，一種疏鬆的二氧化矽晶相。

矽酸可以視作二氧化矽的水合物，具有(SiO2)·(H2O)x的形式。在濃縮溶液中，矽酸一般會聚合和凝結，最終降解為二氧化矽和水。中間階段可能是非常粘稠的液體或凝膠狀的固體。

## 分布

<image>

矽是宇宙中第八大豐富的元素，排在氫、氦、氧、碳、氖、鐵和氮之後。這與地球地殼中元素的豐度有所不同，這是由於太陽系形成過程中元素的大量分離造成的。矽占地殼質量的27.2%，僅次於氧（45.5%），在自然界中它總是與氧共生。在地球形成過程中，行星分異作用進一步加劇了元素的分離：地核占地球質量的31.5%，其近似組成為Fe25Ni2Co0.1S3；地幔占地球質量的68.1%，主要由密度較高的氧化物和矽酸鹽組成，例如橄欖石，(Mg,Fe)2SiO4；而較輕的矽質礦物，例如鋁矽酸鹽，上升到地表形成地殼，占地球質量的0.4%。

<image>

岩漿結晶形成火成岩的過程受多種因素影響，其中包括岩漿的化學成分、冷卻速率以及待形成礦物的某些性質，例如晶格能、熔點和晶體結構的複雜程度。隨著岩漿冷卻，橄欖石首先出現，隨後是輝石、角閃石、黑雲母、正長石、白雲母、石英、沸石，最後是熱液礦物。這一順序表明，隨著冷卻，矽酸鹽單元的複雜程度逐漸增加，並且除了氧化物之外，還引入了氫氧根和氟離子。許多金屬可以取代矽。這些火成岩經過風化、搬運和沉積作用後，會形成粘土、頁岩和砂岩等沉積岩。在高溫高壓下，還可能發生變質作用，從而形成種類更加繁多的礦物。

海洋中矽的來源有四個：大陸岩石的化學風化、河流輸送、大陸碎屑矽酸鹽的溶解以及海底玄武岩與熱液反應釋放溶解矽。這四個來源在海洋生物地球化學循環中相互關聯，因為它們最初都形成於地殼的風化作用。

每年約有3億至9億噸風成塵沉入世界海洋。其中，8000萬至2.4億噸為顆粒狀矽。然而，沉入海洋的顆粒狀矽總量仍低於河流輸送進入海洋的矽量。北大西洋和西北太平洋的顆粒狀岩源矽主要來源於撒哈拉沙漠和戈壁沙漠的塵埃沉降。河流輸送是沿海地區海洋矽輸入的主要來源，而遠洋的矽沉積則主要受風成塵沉降的影響。

## 生產

純度為96%～99%的矽是通過用高純焦炭對石英岩或砂進行碳熱還原製得的。還原反應在電弧爐中進行，使用過量的二氧化矽（SiO2）以防止碳化矽（SiC）的積累：

SiO2 + 2 C → Si + 2 CO

2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO

<image>

這種反應被稱為二氧化矽的碳熱還原反應，通常在含有少量磷和硫的廢鐵中進行，生成矽鐵。矽鐵是一種鐵矽合金，含有不同比例的元素矽和鐵，占世界元素矽產量的超過50%（2024年）。根據2024年的數據，中華人民共和國是元素矽的主要供應國，供應740萬噸（占世界產量的80%），其中大部分以矽鐵的形式存在。其次是俄羅斯（52萬噸）、巴西（39萬噸）、美國（31萬噸）和挪威（30萬噸）。矽鐵主要用於鋼鐵行業（見下文），主要用作鋼鐵的合金添加劑，以及在綜合鋼鐵廠中用於鋼鐵的脫氧處理。截至2024年，大部分生產的元素矽仍以矽鐵合金的形式存在，約40%至50%被提煉至冶金級純度（總計每年約460萬噸）。據2009年時之估計，全球冶金級矽產量的15%會進一步提煉至半導體純度。

另一種有時採用的反應是二氧化矽的鋁熱還原，如下：

3 SiO2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al2O3

用水浸取純度為96-97%的矽粉可得到純度約為98.5%的矽，用於化學工業。然而，半導體應用需要更高的純度，這可以通過還原四氟矽烷（四氯化矽）或三氯矽烷來製備。前者是通過氯化廢矽製得，後者是矽酮生產的副產品。這些化合物易揮發，因此可以通過反覆分餾提純，然後用高純度鋅金屬作為還原劑還原成單質矽。由此得到的鬆散矽片熔化後生長成圓柱形單晶，再通過區域熔煉進行提純。其他方法包括矽烷或四碘矽烷（SiI4）的熱分解。還有一種方法是用金屬鈉還原六氟矽酸鈉（磷酸鹽肥料行業的常見廢料）：該反應是強放熱反應，因此不需要外部能源。超精細矽的純度比幾乎任何其他材料都高：電晶體生產要求矽晶體中的雜質含量低於1010分之一，在特殊情況下，需要並能達到低於1012分之一的雜質含量。

矽納米結構可直接利用傳統的金屬熱法或燃燒合成法從二氧化矽砂中製備。這種納米結構矽材料可用於多種功能應用，包括鋰離子電池（LIBs）負極、其他離子電池負極、憶阻器等未來計算設備以及光催化應用。

## 用途

### 化合物

工業中使用的矽大多未經提純，通常僅經過少量加工即可從天然形態獲得。地殼90%以上由矽酸鹽礦物組成，這些礦物是矽和氧的化合物，通常還含有金屬離子，因為帶負電荷的矽酸根陰離子需要陽離子來平衡電荷。其中許多矽酸鹽礦物具有直接的商業用途，例如粘土、石英砂和大多數類型的建築石材。因此，矽的絕大多數用途是作為結構化合物，以矽酸鹽礦物或二氧化矽（粗二氧化矽）的形式存在。矽酸鹽用於製造波特蘭水泥（主要成分為矽酸鈣），波特蘭水泥用於建築砂漿和現代灰泥，但更重要的是，它與石英砂和礫石（通常含有花崗岩等矽酸鹽礦物）混合，製成混凝土，而混凝土是現代世界大多數大型工業建築項目的基礎。

二氧化矽用於製造耐火磚，耐火磚是一種陶瓷。矽酸鹽礦物也是白瓷的主要成分，白瓷是一類重要的產品，通常含有各種類型的燒制粘土礦物（天然鋁層狀矽酸鹽）。例如，瓷器就是以矽酸鹽礦物高嶺石為基礎製成的。傳統玻璃（二氧化矽基鈉鈣玻璃）也具有許多相同的功能，並用於製造窗戶和容器。此外，特種二氧化矽基玻璃纖維用於製造光纖，以及生產用於結構支撐的玻璃鋼和用於隔熱的玻璃棉。

矽酮常用於防水處理、模塑化合物、脫模劑、機械密封件、高溫潤滑脂和蠟，以及填縫料。矽酮有時也用於乳房植入物、隱形眼鏡、炸藥和煙火製品。彈性橡皮泥最初是通過在矽油中添加硼酸製成的。其他矽化合物的用途包括高科技磨料和新型高強度碳化矽陶瓷。矽是某些高溫合金的組成成分。

### 合金

在熔融鑄鐵中添加元素矽，以矽鐵或矽鈣合金的形式，可以提高薄截面鑄造的性能，並防止暴露於空氣中時形成滲碳體。熔融鐵中元素矽的存在可以吸收氧氣，從而更精確地控制鋼的碳含量（每種鋼的碳含量都必須控制在嚴格的範圍內）。此外，矽鐵還用於製造矽、耐腐蝕和耐高溫的矽鐵合金。在鑄鐵製造中，矽鐵用於鐵的孕育處理，以加速石墨化。矽鐵的生產和使用是鋼鐵行業的晴雨表，儘管這種形式的元素矽純度很低，但它占全球游離矽使用量的一半以上（2024年）。矽是變壓器鋼的重要組成部分，它能改變變壓器鋼的電阻率和鐵磁性。

矽的特性可用於改性除鐵以外的其他金屬合金。「冶金級」矽是指純度為95%至99%的矽。全球約55%的冶金級矽用於生產矽鋁合金，主要用於汽車工業的鋁鑄件。矽在鋁鑄造中的重要性在於，鋁中含量較高（12%）的矽可以形成共晶混合物，該混合物凝固時熱收縮極小。這大大減少了鑄造合金冷卻凝固過程中因應力產生的撕裂和裂紋。矽還能顯著提高鋁的硬度，從而提高其耐磨性。冶金級矽的生產方法是在大型電弧爐中熔化石英或石英岩，採用碳熱還原法，以煤、焦炭或木炭等含碳材料和木屑作為氣體循環燃料。這種不含鐵的生產技術常用於光伏器件和半導體器件的多晶矽生產。

### 電子工業

矽半導體器件是現代資訊技術的基礎。其電子應用十分廣泛，涵蓋微電子、電腦、光電子和納米技術等領域。矽在電子領域的諸多優勢包括：成本低、可形成大尺寸純淨單晶、不易碎裂、導熱性能優異、可進行微結構化和層狀改性，且其氧化物是優良的絕緣體。

據估計，全球冶金級矽產量的15%被提煉成半導體純度（2009年）。這通常是「九個九」或 99.9999999%純度，幾乎無缺陷的單晶材料。

這種純度的單晶矽通常採用直拉法（柴可拉斯基法）生產，用於製造半導體產業、電子行業以及一些高成本、高效率光伏應用所需的晶圓。純矽是一種本徵半導體，這意味著與金屬不同，它能導電是因為由原子受熱釋放的電子和空穴。由於費米-狄拉克分布的展寬，本徵矽的電導率隨溫度升高而增加。純矽的電導率太低（即電阻率太高），無法用作電子電路元件。實際上，純矽會摻雜少量不同價電子數的元素（通常是硼和磷），這大大提高了其電導率，並通過控制活化載流子的數量和類型（正或負）來調節其電響應。這種控制對於電晶體、太陽能電池、半導體檢波器以及電腦行業和其他技術應用中使用的其他半導體器件至關重要。在矽光子學中，矽可用作連續波拉曼雷射介質，以產生相干光。

<image>

在常見的積體電路中，單晶矽（Si）晶圓作為電路的機械支撐。電路元件（電晶體）通過摻雜製成，並用薄層二氧化矽鈍化。二氧化矽是一種絕緣體，可通過熱氧化或化學氣相沉積（CVD）等工藝在矽表面輕鬆生成。熱氧化是最常用的方法，即在特定條件下將矽暴露於氧氣中。生成的氧化層厚度可以通過迪爾-格羅夫模型預測。矽是積體電路中最常用的材料，因為它具有高穩定性，且易於形成其天然氧化層（SiO2）。矽的絕緣氧化層不溶於水，這使其優於鍺。鍺（Ge）曾用於第一代電晶體，其電子特性，例如載流子遷移率和能隙，與矽相似。然而，由於GeO2的不穩定性，基於鍺的技術最終失敗了。鍺仍然在現代半導體電子器件中用作摻雜劑，以提高PMOS源極和漏極中空穴的遷移率。

單晶矽生產成本高昂，通常僅適用於積體電路的生產，因為微小的晶體缺陷會對精細的電路路徑產生干擾。對於其他用途，可以使用其他類型的純矽。這些包括氫化非晶矽和高純度冶金級矽（UMG-Si），它們用於生產低成本、大面積的電子器件，例如液晶顯示器和低成本的大面積薄膜太陽能電池。這類半導體級矽的純度略低，或者為多晶矽而非單晶矽，其產量與單晶矽相當：每年7.5萬至15萬噸（2009年）。低純度矽的市場增長速度比單晶矽更快。根據2009年發布的報告，到2013年，主要用於太陽能電池的多晶矽產量預計將達到每年20萬噸，而單晶半導體級矽的產量預計將保持在每年5萬噸以下。

### 量子點

矽量子點是通過氫倍半矽氧烷的熱處理製成的納米晶體，其尺寸範圍從幾納米到幾微米，並表現出尺寸依賴性的冷發光特性。這些納米晶體具有較大的斯托克斯位移，能夠將紫外光子轉換為可見光或紅外光子（具體取決於顆粒尺寸），由於其自身吸收有限，因此可應用於量子點顯示器和發光太陽能聚集器。與鎘或銦基量子點相比，矽基量子點的優勢在於矽無毒且不含金屬。矽量子點的另一個應用是用於危險物質的檢測。這些傳感器利用量子點的發光特性，通過有害物質存在時光致發光猝滅來檢測危險物質。危險化學物質的檢測方法有很多種，包括電子轉移、螢光共振能量轉移和光電流產生等。當最低未占據分子軌道（LUMO）的能量略低於量子點的導帶時，就會發生電子轉移猝滅，從而允許電子在兩者之間轉移，阻止納米晶體內部空穴和電子的複合。反過來，當施主分子的最高占據分子軌道（HOMO）的能量略高於量子點的價帶頂時，也可以實現類似的效果，允許電子在兩者之間轉移，填充空穴並阻止複合。當量子點和猝滅劑分子形成複合物時，就會發生螢光共振能量轉移。該複合物會繼續吸收光，但當能量轉換回基態時，它不會釋放光子，從而猝滅材料。第三種方法採用不同的途徑，即測量量子點發出的光電流，而不是監測光致發光顯示。如果所需化學物質的濃度增加，納米晶體發出的光電流也會隨之改變。

### 熱儲能

固態或熔融矽的儲能溫度遠高於鹽類，因此具有更高的容量和效率。目前，矽正被研究作為一種更高效的儲能技術。在1400攝氏度下，每立方米矽可以儲存超過1兆瓦時的能量。此外，與用於相同用途的鹽類相比，矽的儲量相對豐富，這也是其優勢之一。

熱矽儲能技術能夠在極高溫度（約1400-2000攝氏度）下儲存大量熱能。利用這種熾熱的熔融矽，可以儲存來自周圍可再生能源（如太陽能和風能）產生的多餘電力。與其他顯熱儲能方案相比，該系統能夠實現更高效、更低成本且更持久的儲能。

## 生物學作用

<image>

儘管矽以矽酸鹽的形式廣泛存在，但很少有生物直接利用它。矽藻、放射蟲和矽質海綿利用生物矽作為骨骼的結構材料。一些植物，例如水稻，會在組織中積累矽，並需要矽來促進生長。植物可以吸收原矽酸（也稱單矽酸）形式的矽，並通過木質部運輸，在那裡與細胞壁成分形成無定形複合物。研究表明，這可以提高某些植物的細胞壁強度和結構完整性，從而減少昆蟲取食和病原體感染。在某些植物中，矽還可以促進揮發性有機化合物和植物激素的產生，這些物質在植物防禦機制中發揮著重要作用。在更高級的植物中，植矽體提供結構支撐。

已知多種園藝作物會利用二氧化矽來抵禦真菌病原體，其保護作用之強，以至於若不補充充足的矽，殺真菌劑的使用可能無效。矽質植物防禦分子能夠激活某些植物抗毒素，這意味著其中一些是產生獲得性免疫的信號物質。當矽缺乏時，一些植物會增加其他防禦物質的產生來替代。

地球上的生命主要由碳構成，但天體生物學認為，地外生命可能擁有其他假想的生物化學類型。矽被認為是碳的替代品，因為它能夠形成具有四個共價鍵的複雜穩定的分子（這是DNA類似物所必需的），而且矽的儲量非常豐富。

### 對海洋微生物的影響

硅藻利用生物矽（bSi）形式的矽，這種矽被矽轉運蛋白（SIT）吸收，主要用於構成細胞壁結構，即矽殼。矽以溶解態（例如矽酸或矽酸鹽）進入海洋。由於硅藻是這些形式矽的主要使用者之一，它們對整個海洋的矽濃度貢獻巨大。由於硅藻在淺海的生物生產力，矽在海洋中形成類似營養鹽的分布模式。因此，淺海的矽濃度較低，而深海的矽濃度較高。

上層海洋的硅藻的生態生產力有助於將矽輸送到下層海洋。當上層海洋中的硅藻細胞細胞裂解裂解時，其營養物質（如鐵、鋅和矽）會通過一種稱為「海雪」的過程被輸送到下層海洋——這是指溶解有機物通過垂直混合向下輸送顆粒狀有機物的過程。有研究表明，矽對硅藻的生物生產力至關重要，只要有矽酸可供硅藻利用，硅藻就能促進深海中其他重要營養物質的濃度。

在沿海地區，硅藻是主要的浮游植物，對生物矽的生產貢獻巨大。然而，在遠洋，硅藻在全球年度矽產量中的作用較小。北大西洋和北太平洋亞熱帶環流區的硅藻僅貢獻了全球海洋年度矽產量的約5%至7%。南冰洋產生全球海洋生物矽產量的約三分之一。由於只有極少量的矽被輸送出南冰洋，因此可以說南冰洋存在「生物地球化學分界線」，因為只有極少量的矽被輸送出該區域。

### 人類營養

有證據表明，矽對人體健康至關重要，對指甲、頭髮、骨骼和皮膚組織都非常重要。例如，有研究表明，絕經前女性膳食中矽攝入量較高時骨密度較高，補充矽可以增加骨質疏鬆症患者的骨量和骨密度。矽是合成彈性蛋白和膠原蛋白所必需的，而人體主動脈中這兩種物質的含量最高，因此矽一直被認為是人體必需元素；然而，由於矽含量非常豐富，因此很難證明其必需性，矽缺乏的症狀也難以重現。

矽被國際植物營養研究所（IPNI）認定為「營養元素」，被美國植物食品控制官員協會認定為「有益物質」。

## 安全

人們在工作場所可能通過吸入、吞咽或皮膚/眼睛接觸到元素矽。在後兩種情況下，矽作為一種刺激物，危害較小。吸入則有害。美國職業安全與健康管理局（OSHA）規定，工作場所矽暴露的法定限值為：八小時工作日內總暴露量為15 mg/m³，呼吸道暴露量為5 mg/m³。美國國家職業安全與健康研究所（NIOSH）建議的推薦暴露限值（REL）為：八小時工作日內總暴露量為10 mg/m³，呼吸道暴露量為5 mg/m³。吸入結晶二氧化矽粉塵可能導致矽肺病，這是一種職業性肺病，其特徵是肺上葉出現結節性病變，並伴有炎症和瘢痕形成。

## 重要化合物

- 碳化矽，耐磨耐熱，用於半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。
- 二氧化矽，是沙和石英的主要成分。在半導體和太陽能板等應用中，是目前主要的原料。
- 矽烷，在醫學和工業領域有著廣泛的應用。
- 四氯化矽，應用在半導體工業和光電池中。