Физические и химические свойства кремния

Кремний в кристаллическом состоянии образует кубическую гранецентрированную решётку типа алмаза с параметром решётки ${\displaystyle a=0{,}54307\,{\text{нм}}}$. Атомы кремния связаны ковалентными связями, образуя твёрдое вещество. Из-за большей длины связи Si—Si по сравнению с C—C кремний менее твёрд, чем алмаз, и хрупок при комнатной температуре, становясь пластичным при нагревании выше ${\displaystyle 800^{\circ }{\text{C}}}$.

Кремний прозрачен для инфракрасного излучения с длинами волн от 1 до 9 мкм, что делает его полезным в оптических приложениях, таких как инфракрасные линзы и датчики.

Кремний является непрямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны:

• При ${\displaystyle 300\,{\text{K}}}$: ${\displaystyle E_{g}=1{,}12\,{\text{эВ}}}$.
• При ${\displaystyle 0\,{\text{K}}}$: ${\displaystyle E_{g}=1{,}21\,{\text{эВ}}}$.

Концентрация собственных носителей заряда при комнатной температуре составляет около ${\displaystyle 1{,}5\times 10^{10}\,{\text{см}}^{-3}}$. Подвижность носителей заряда:

• Электроны: 1200–1450 см²/(В·с).
• Дырки: 500 см²/(В·с).

Легирование кремния элементами III группы (B, Al, Ga, In) создаёт полупроводник p-типа, а элементами V группы (P, As, Sb) — n-типа.

Атом кремния обладает sp³-гибридизацией, образуя четыре ковалентные связи с соседними атомами. В соединениях кремний обычно четырёхвалентен со степенями окисления +4 или −4.

При нормальных условиях кремний малоактивен из-за образования на поверхности тонкой плёнки диоксида кремния (SiO₂), которая пассивирует металл. Исключением является реакция с фтором:

${\displaystyle \mathrm {Si+2F_{2}\longrightarrow SiF_{4}\uparrow } }$

При нагревании выше ${\displaystyle 400{-}500^{\circ }{\text{C}}}$ кремний реагирует с хлором, бромом и иодом, образуя тетрагалогениды:

${\displaystyle \mathrm {Si+2Cl_{2}\longrightarrow SiCl_{4}} }$

При температуре выше ${\displaystyle 400{-}500^{\circ }{\text{C}}}$ кремний окисляется до диоксида кремния:

${\displaystyle \mathrm {Si+O_{2}\longrightarrow SiO_{2}} }$

Этот процесс используется в электронике для создания высококачественных оксидных слоёв.

При восстановлении SiO₂ кремнием при температурах свыше ${\displaystyle 1200^{\circ }{\text{C}}}$ образуется монооксид кремния:

${\displaystyle \mathrm {Si+SiO_{2}\longrightarrow 2SiO} }$

Монооксид кремния применяется в качестве восстановителя и в керамических производствах.

Силаны — гидриды кремния общей формулы ${\displaystyle \mathrm {Si_{n}H_{2n+2}} }$. Их получают взаимодействием силицидов активных металлов с кислотами:

${\displaystyle \mathrm {Ca_{2}Si+4HCl\longrightarrow 2CaCl_{2}+SiH_{4}\uparrow } }$

Силаны используются как газовые источники для химического осаждения из газовой фазы в полупроводниковой промышленности.

При температуре около ${\displaystyle 1000^{\circ }{\text{C}}}$ кремний реагирует:

• С азотом: образуется нитрид кремния:

 ${\displaystyle \mathrm {3Si+2N_{2}\longrightarrow Si_{3}N_{4}} }$

• С бором: образуются бориды кремния, такие как SiB₃, SiB₆, SiB₁₂, используемые в качестве жаропрочных материалов.

При высоких температурах (> ${\displaystyle 1000^{\circ }{\text{C}}}$) кремний реагирует с углеродом, образуя карбид кремния (SiC):

${\displaystyle \mathrm {Si+C\longrightarrow SiC} }$

Карбид кремния отличается высокой твёрдостью и устойчивостью к высоким температурам, применяется в качестве абразива и в керамике.

Кремний образует соединения с металлами — силициды:

${\displaystyle \mathrm {m\,Si+n\,Me\longrightarrow Me_{n}Si_{m}} }$

Силициды делятся на:

• **Ионно-ковалентные**: силициды щелочных и щёлочноземельных металлов (например, Ca₂Si), разлагаются кислотами.
• **Металлоподобные**: силициды переходных металлов (например, FeSi₂), устойчивы к кислотам и имеют высокие температуры плавления.

• • Кислотное травление**:

1. Окисление кремния азотной кислотой:

  ${\displaystyle \mathrm {Si+2HNO_{3}\longrightarrow SiO_{2}+2NO_{2}\uparrow +H_{2}O} }$

2. Растворение оксида плавиковой кислотой:

  ${\displaystyle \mathrm {SiO_{2}+4HF\longrightarrow SiF_{4}\uparrow +2H_{2}O} }$

• • Щелочное травление**:

При температуре выше ${\displaystyle 60^{\circ }{\text{C}}}$ кремний реагирует со щелочами:

${\displaystyle \mathrm {Si+2KOH+H_{2}O\longrightarrow K_{2}SiO_{3}+2H_{2}\uparrow } }$

Этот метод используется для анизотропного травления в микроэлектронике.

Кремний сочетает в себе важные физические и химические свойства, делающие его незаменимым в современных технологиях. Его полупроводниковые характеристики лежат в основе электронной промышленности, а способность образовывать разнообразные соединения позволяет использовать кремний в металлургии, химии и оптике.