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Silizium

Silizium

Was ist Silizium?

Silizium ist ein chemisches Element der Ordnungszahl 14 und des Symbols Si. Dieses chemische Element gehört zur Gruppe IV A des Periodensystems. JJ Berzelius 1824 isolierte es durch Reduktion von Siliciumtetrafluorid (SiF4) mit Kalium.

Das kristalline elementare Silizium hat eine graue Farbe mit einem metallischen Glanz, ist sehr hart, hat sehr hohe Schmelz- und Siedepunkte und ist ein intrinsischer Halbleiter. Die amorphe Form des Elements kommt in braunen, elektrisch leitenden Pulvern vor, die leicht geschmolzen und verdampft werden können.

Silizium ist aufgrund seiner Halbleitereigenschaften ein in Photovoltaik-Panels weit verbreitetes Bauteil. Dies bedeutet, dass seine physikalischen und chemischen Eigenschaften sehr günstig sind, um den photovoltaischen Effekt zu fördern. Der photovoltaische Effekt ist der Effekt, der es ermöglicht, die Energie der im Sonnenlicht vorhandenen Photonen in Bewegung von Elektronen und damit in elektrische Energie umzuwandeln.

Einkristallines Silizium

Einkristallines Silizium ist das Basismaterial der Elektronikindustrie. Es besteht aus einem Einkristall aus Silizium, der ein kontinuierliches kristallines Netzwerk aufweist, ohne den gesamten Feststoff zu unterbrechen.

Monokristallinem Silizium ist vielleicht der wichtigste des letzten halben Jahrhunderts technologischen Material, weil seine Verfügbarkeit zu industriell akzeptablen Kosten war und ist essentiell für die Entwicklung elektronischer Mikro, in dem auf die aktuellen Elektronik und Computer-Revolution Basierend.

Monokristallines Silizium wird auch zur Herstellung von Hochleistungs- Photovoltaikzellen verwendet. Im Gegensatz zu Mikroschaltungen können Solarzellen jedoch in gewissen Grenzen kleine strukturelle Mängel tolerieren.

Polykristallines Silizium

Polykristallines oder Polysilicium-Silicium ist ein Material aus fehlausgerichtetem (polykristallinem) Siliciumglas. Es nimmt eine Zwischenposition zwischen amorphem Silizium und monokristallinem Silizium ein.

Aufgrund der verbesserten mechanischen Festigkeit des Herstellungsprozesses für integrierte Schaltkreise ersetzt polykristallines Silizium häufig Aluminium für die Herstellung von Metallteilen in elektronischen Halbleiterbauelementen. Es wird auch zur Realisierung von Kondensatoren in einer integrierten Umgebung verwendet. Die Kapazitäten dieser Kondensatoren sind jedoch sehr gering.

Für elektronische Anwendungen kann polykristallines Silizium mit weniger ausgefeilten und kostengünstigen Techniken erhalten werden als für die Siliziumabscheidung erforderlich. Polykristallines Silizium kann auch während Siliziumherstellungsprozessen erhalten werden. Polykristallines Silizium weist einen Verunreinigungsgrad von 1 Teil pro Milliarde oder weniger auf.

Herkunft des Siliziums

Silizium ist nach Sauerstoff das am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste, von dem es 26 Gew .-% ausmacht. Es besteht aus einer Mischung von drei stabilen natürlichen Isotopen mit den Massen 28 (92,21%), 29 (4,70%) und 30 (3,09%), die ein Atomgewicht von 28,086 bestimmen. Es sind auch fünf künstliche Radioisotope des Elements mit Massen zwischen 25 und 32 bekannt.

Silizium ist in der Natur weit verbreitet und seine Anwesenheit in der Sonne, in Sternen und Meteoriten wurde nachgewiesen.

Silizium erhalten

Die Gewinnung von Silizium erfolgt je nach Zweck des Elements auf verschiedene Weise. Die wichtigste kommerzielle Methode ist die Reduktion von Kieselsäure mit Kohlenstoff in einem Elektroofen. Die Herstellung von hochreinem Silizium (99,7%) wird durch Umwandlung von unreinem Siliziumtetrachlorid (SiCl4), flüchtiger, deren Reinigung durch Destillation und anschließende Reduktion mit Zink erreicht.

Silizium zur Verwendung in der Elektronik wird durch Zonenreinigung erhalten, um Bor, Aluminium, Phosphor, Gallium, Arsen, Indium und Antimon zu entfernen. Anschließend wird nach der Czochralski-Methode ein Einkristall erhalten. Diese Methode besteht darin, einen kleinen Kristall in ein auf die Schmelztemperatur erwärmtes flüssiges Siliziumbad einzutauchen und es langsam zu entfernen, um das Wachstum des Einkristalls zu bewirken. Normalerweise wird das Dotieren des Einkristalls gleichzeitig durchgeführt.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Silizium ist ein HalbleiterelementWas die chemischen Eigenschaften anbelangt, so weist Silizium gegenüber Kohlenstoff, dem ersten Element der Gruppe IV A, erhebliche Unterschiede auf. Im Gegensatz zu Kohlenstoff weist Silizium eine viel geringere Elektronegativität auf, was erhebliche Unterschiede in der Polarität bestimmter Bindungen mit sich bringt, a Tendenz zur Verkettung sehr abgeschwächt (keine Ketten mit mehr als sechs Siliciumatomen), maximale Koordination von sechs, dank der Existenz leerer d-Orbitale mit entsprechender Energie. Auch fehlt dem Silizium die Bildung einer Mehrfachverbindung mit sich selbst oder mit irgendeinem anderen Element.

Das wichtigste chemische Merkmal von Silizium ist seine Tendenz, sich mit Sauerstoff zu verbinden, um polymere oder diskrete Strukturen zu bilden, in denen jedes Siliziumatom von vier Sauerstoffatomen umgeben ist. Aufgrund der hohen Energie der Si-O-Bindung (89,3 kcal / mol) weisen diese Strukturen eine hohe Stabilität auf.

Silizium ist im Wesentlichen nichtmetallisch und seine Reaktivität hängt vor allem vom Grad der Teilung ab. In kompakter Form ist es an der Luft mit einer oberflächlichen Oxidschicht überzogen, während es fein verteilt an der Luft leicht entzündet wird. Silicium kann von heißem Chlorwasserstoff unter Bildung von Tetrachlorid und Freisetzung von Wasserstoff und von kaltem Fluorwasserstoff unter Bildung von Hexafluorkieselsäure angegriffen werden. Zum anderen kann dieses Material von den anderen Säuren nicht angegriffen werden. Es löst sich in starken Basen unter Bildung von Silikaten und Freisetzung von Wasserstoff (Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + 2H2) und verbindet sich direkt mit den Halogenen und in der Hitze mit anderen Nichtmetallen (Silicur).

Aufgrund der elektronischen Struktur von Silicium wirkt es analog zu Kohlenstoff praktisch ausschließlich mit der Wertigkeit 4. Seine Verbindungen sind im wesentlichen kovalent und viele von ihnen haben eine bemerkenswerte wirtschaftliche Bedeutung.

Silizium kann in die Struktur einer ganzen Reihe organischer Verbindungen eingeführt werden, denen es sehr interessante Eigenschaften verleiht. Aus biologischer Sicht spielt Silizium in einigen Fällen eine wichtige Rolle und ist das Grundmaterial für den Aufbau der Zellwand verschiedener Algen.

1990 wurden Kohlenstoff-Fulleren-ähnliche Siliciummakromoleküle entdeckt. Es war eine unerwartete Entdeckung, da angenommen wurde, dass stabile Silizium-Fullerene nicht hergestellt werden konnten. Das Problem der Instabilität der geschlossenen Siliziumnetzwerke wurde durch Platzierung eines zentralen Metallatoms, nämlich Wolfram, gelöst.

Eine der stabilsten Formen besteht aus zwölf Siliziumatomen, die einen Käfig um ein Wolframatom bilden. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass sie die chemischen Effekte des Zentralatoms isoliert und daher beim Einfangen von Atomen oder bei der Katalyse sehr nützlich sein kann.

Das kontinuierliche Einatmen von kieselhaltigem Staub verursacht beim Menschen eine schwere Lungenerkrankung, Silikose.

Anwendungen von Silizium

Silizium kann in der Elektronik zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und fotoelektrischen Zellen eingesetzt werden. In der Metallurgie wird es zur Herstellung von Spezialstählen (Ferrosilicium) und anderen Legierungen sowie zur Herstellung verschiedener Verbindungen verwendet.

In zusammengesetzter Form (Silikate, Kieselsäure, Silikone) wird Silizium sehr allgemein verwendet.

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Geändert am: 10. Juni 2019