硅是地球上仅次于氧的第二多元素,旧称矽。
年,瑞典人贝齐里乌斯,用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热,得到粉状单质硅。贝齐里乌斯将制得的硅在氧气中燃烧,生成二氧化硅——硅土,由此硅才被确定为一种元素,并被命名为silicium,元素符号是Si。硅的化学性质比较活泼,高温下能与氧等多种元素化合,在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在,其质量约占地表岩石的四分之一。建筑用的砖、瓦、砂石、水泥、玻璃,日常生活中使用的瓷碗、水杯,洗脸间的洁具,看上去虽截然不同,但其主要成分都是硅的化合物。
工业上,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅制的单质硅。电子工业中使用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅制得。硅有无定型与结晶两种同素异形体,其中,结晶型的硅呈暗黑蓝色,很脆,是典型的半导体,化学性质非常稳定:在常温下,除氟化氢以外,很难与其他物质发生反应。
用途广泛的硅材料
硅的用途十分广泛,冶金、电子、军工、建材、工程机械、医药、橡胶、化妆品、服装等众多行业都会用到它。其中,“硅片”已成为信息产业的核心材料。硅还是制作金属陶瓷、太空飞船的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结制成的金属陶瓷复合材料,耐高温,富韧性,可切割,既继承了金属和陶瓷各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷。
人类第一架航天飞机哥伦比亚号能抵挡住高速穿越稠密大气时因摩擦所产生的高温,全靠它那块硅瓦拼砌成的外壳。在光导纤维通信中,要用纯二氧化硅拉制出高透明度的光导玻璃纤维(光纤)。光纤通信容量高,一根头发丝那么细的玻璃纤维,可以同时传输路电话,它还不受电、磁干扰,不怕窃听,具有良好的保密性能。光纤通信已使人类生活发生了革命性巨变。
硅还可以制成性能优异的有机硅化合物,习惯上称之为有机硅。像有机硅塑料是极好的防水材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅,可以‘劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表,涂一层薄薄的有机硅塑料,可以防止青苔滋生,抵挡风吹雨淋。天安门广场上的人民英雄纪念碑表面,便经过有机硅塑料处理,因此可以用保洁白。
太阳能与多晶硅的崛起
多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,那么这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。工业上,生产多晶硅的工艺是工业硅与氯气、氢气反应后生成三氯氢硅,再在氢气中还原沉积而成。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。比如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,多晶硅远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性能也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性,但多晶硅可作拉制单晶硅的原料,而单晶硅是一种重要的半导体材料,可用于制造大功率晶体管、整流器、液晶显示屏、太阳能电池等。其中,它在太阳能电池方面的应用最为人所