硅是製造微晶片的重要材料, 也是組成地殼最重要的元素。
| 原子序: | 14 |
| 元素符號: | Si |
| 相對原子量: | 28.086 |
| 電子組態/電子排佈: | [Ne]3s23p2 |
硅的拉丁原文為(silex, silicis, flint), 有 '石頭, 燧石' 之意. 早期以為石英(SiO2 : 二氧化硅)是元素, 直到 1811 年 法國化學家蓋.呂薩克 (Gay Lussac)將鉀與氟化硅混合加熱, 生成棕色的具可燃性的固體, 其後證實該固體為無定形的硅元素。到 1824 年 柏齊利斯(Berzelius)用同樣的方法製得硅後, 再以清水沖洗, 得到較純的褐色粉末狀硅. 1854 年, 法國化學家德維爾(Deville)把硅的粉末溶於熔融的合金中, 然後慢慢冷卻, 製得硅的晶體。這是人類發現硅的第二個同素異形體。
硅存在於太陽和其的星體, 是一種稱為 '大氣礦石(aerolites)' 的隕石的主要成份。硅也是一種稱為 ' (tektites)' 的天然玻璃的成份之一, 其來源則至今未明。
地殼約有 25.7% 的質量為硅, 是含量第二高的元素。(第一至五位的元素順序是: 氧、硅、鋁、鐵、鈣) 自然界沒有自由態的硅存在, 多以氧化物和硅酸鹽等化合狀態存在。如: 砂, 石英, 水晶, 燧石, 蛋白石, 瑪瑙, 碧玉等, 其主要成份為二氧化硅。至於黏土, 雲母, 長石, 滑石, 石棉等, 則含有硅酸鹽的成份。
硅的工業製法是把二氧化硅和碳混合, 在碳電極的電爐高溫加熱製得。這個方法製得都是無定形硅, 它是棕色的粉末, 受熱易熔和氣化. 單晶硅是半導體的重要原料, 它是由 (Czochralski process) 製得。超純度的硅晶體, 是用 '真空區域法 (Vacuum float zone process), 即把高純度的三氯硅烷在氫氣中加熱分解而製成。
在2002年中, 科學家發現一些高純度的無定形硅, 其實是硅的納米晶體, 它們的導電性能良好, 是製造半導體的 優良材料。
硅是人類今天最有用的元素之一. 它以砂和黏土存在的形態(主要成份是二氧化硅), 可以用來製混凝土和磚瓦, 也是高溫工程的耐火物料. 而以硅酸鹽存在的礦物, 則可以製造琺瑯質, 陶瓷器等. 硅石(Silica: 較純的二氧化硅)則是玻璃的主要成份, 硅具有優良的機械性能, 受熱性能, 透光和導電性能, 對相來說, 它的售價便十分便宜了. 今天的玻璃和陶瓷科技的突破, 使它們的性能更高. 用途更廣. 此外, 四氯化硅更可製造變色玻璃(iridize glass)。
超純度硅可與硼, 鎵, 磷或砷等製成硅晶體管, 太陽電池, 整流器和其他半導體元件, 在電子工業和航天工業都廣泛應用。
無定形硅對氫氣的吸附能力很強, 可用來生產經濟的電池, 把太陽能轉化成電能. 無定形硅還有一些更有利潤的應用前景, 就是用來製造 '活化液晶體顯像管' (AM-LCD: active-matrix liquid crystal display), 每個素像(pixel)都是一個由無形硅組成的晶體管開關(transistor switch), 這是由於無定形硅通電時, 在很低的溫度也會發光, 而且可覆蓋較大的面積, 故電視或電腦的瑩光屏, 就是用無定形硅製成的晶體管薄膜所組成。
硅對動物和植物的生長也很重要. 硅藻類(diatoms)可從鹽水或淡水中提取二氧化硅來建的細胞壁. 人類的骨骼和植物的灰燼均發現有微量的二氧化硅存在. 硅也是鋼材的重要成份. 碳化硅俗稱金剛砂的硬度很高, 可用作工業磨料和製造鐳射激光時, 用來產生 4560A 的相干涉光(coherent light).
硅酮(silicones)是硅的重要製成品. 它是由有機的氯化硅, 例如二甲基氯化硅, 經水解而成. 氯化硅烷經水解和縮合作可產生很多不同的硅酮聚合物產品, 由液體至玻璃狀的硬固體都有, 並同時具有一些有用的特性.
硅的結晶是灰色並有金屬光澤. 化學性質並不活潑, 但可與鹵素和稀鹼起反應. 除了氫氟酸外, 並不與酸作用. 硅元素可透光, 超過 95% 的紅外線(波長由 1.3 - 6.y 微米)
一般級別的硅 (99%)的售價約為US$0.50/g. 99.9% 的純硅的售價約為 $50/lb; 超純度的硅其售價約為US$100/oz.
採礦, 碎石和石雕的工作人, 需當心及避免吸入大量的含硅的塵粒, 否則會患上 '矽肺病(SILICOSIS)'
翻譯及寫作: S. C. WONG 資料來源: CRC Handbook of Chemistry and Physics 及 The American Chemical Society.
日期: July 7, 2002