Πυρίτιο: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων
Περιεχόμενο που διαγράφηκε Περιεχόμενο που προστέθηκε
Χωρίς σύνοψη επεξεργασίας |
|||
Γραμμή 137:
]]
Το πυρίτιο αποτελεί το 7<sup>ο</sup> πιο άφθονο χημικό στοιχείο στο [[Σύμπαν]]<ref>[http://education.jlab.org/itselemental/ele014.html Jefferson Lab]</ref>, καθώς και το 27,7%, κατά [[μάζα]], του φλοιού της [[Γη]]ς και είναι το δεύτερο (2<sup>ο</sup>) χημικό στοιχείο σε αφθονία στο φλοιό αυτό. Μόνο το οξυγόνο έχει μεγαλύτερη αφθονία<ref>Geological Survey (U.S.) (1975). ''Geological Survey professional paper''.</ref>. Το πυρίτιο συνήθως βρίσκεται σε μορφή σύνθετων πυριτιούχων [[ορυκτό|ορυκτών]], και λιγότερο συχνά με τη μορφή του [[διοξείδιο του πυριτίου|διοξειδίου του πυριτίου]] (SiO<sub>2</sub>), που είναι και το κύριο συστατικό της κοινής [[άμμος|άμμου]]. Οι [[Κρύσταλλος|κρύσταλλοι]] χημικά καθαρού (στοιχειακού) πυριτίου βρίσκονται πολύ σπάνια στη φύση.
Τα διάφορα πυριτιούχα ορυκτά περιέχουν πυρίτιο, οξυγόνο και δραστικά μέταλλα και συνιστούν περίπου το 90% της μάζας του φλοιού της Γης. Αυτό συμβαίνει χάρη στο δεδομένο ότι οι χαρακτηριστικές για το «εσωτερικό» [[ηλιακό σύστημα]] υψηλές θερμοκρασίες, συνδυάζουν γρήγορα χημικά το πυριτίο και το οξυγόνο, σχηματίζοντας δίκτυα στερεών ενώσεων πυριτίου και οξυγόνου με πολύ μικρή [[πτητικότητα]]. Εφόσον το οξυγόνο και το πυρίτιο είναι τα πιο συνηθισμένα μη αέρια και μη μεταλλικά χημικά στοιχεία στα συντρίμια σκόνης [[υπερκαινοφανής αστέρας|υπερκαινοφανούς αστέρα]], από τα οποία σχηματίστηκε ο [[πρωτοπλανητικός δίσκος]], κατά το σχηματισμό και την εξέλιξη του ηλιακού συστήματος, σχηματίστηκαν πολλά σύμπλοκα πυριτίου και οξυγόνου που συνενώθηκαν σε μεγαλύτερους πετρώδεις πλανητοειδείς, από τους οποίους σχηματίστηκαν τελικά οι «γήινοι» (εσωτερικοί) πλανήτες. Επίσης, η μήτρα των πυριτιούχων ορυκτών παγίδευσαν και δραστικά μέταλλα, όπως [[αργίλιο]] (Al), [[ασβέστιο]] (Ca), [[νάτριο]] (Na), [[κάλιο]] (K) και μαγνήσιο (Mg) ,αρκετά ώστε να οξειδωθούν. Ύστερα από την απώλεια αρκετών από τα πτητικά αέρια, καθώς επίσης και του [[άνθρακας|άνθρακα]] (C) και του [[θείο]]υ (S), μέσω αντιδράσεων με το [[υδρογόνο]] (H), το παραπάνω αναφερόμενο πυριτιούχο μίγμα σχημάτησε το περισσότερο μέρος από το φλοιό της Γης.
Γραμμή 143:
Αυτά τα πυριτιούχα ορυκτά είχαν σχετικά μικρή [[πυκνότητα]], σε σύγκριση με το [[σίδηρος|σίδηρο]] (Fe), το [[νικέλιο]] (Νι) και άλλα μέταλλα που δεν αντιδρούν με το οξυγόνο, οπότε στο ρευστό που δημιουργήθηκε στο εσωτερικό της Γης ο σίδηρος, το νικέλιο (και άλλα σχετικά βαριά μέταλλα), που δεν συνδυάστηκαν σε ορυκτά βυθίστηκαν στον πυρήνα του πλανήτη μας, αφήνοντας έναν παχύ μανδύα, μεταξύ φλοιού και πυρήνα, που αποτελείται κυρίως από πυριτιούχα ορυκτά του μαγνησίου και του σιδήρου. Αυτά θεωρείται ότι είναι κυρίως πυριτιούχοι [[περοβσκίτης|περοβσκίτες]], ακολουθούμενοι σε αφθονία από οξείδια μαγνησίου-σιδήρου [[φερροπερίκλασο|φερροπερίκλασα]]<ref>Anderson, Don L. (2007) New Theory of the Earth. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84959-3, ISBN 0-521-84959-4</ref>.
Παραδείγματα πυριτιούχων ορυκτών στο φλοιό της Γης περιλαμβάνουν τον [[πυρόξενος|πυρόξενο]], τον [[αμφίβολος|αμφίβολο]], τους [[μαρμαρυγίες]] τους [[άστριοι|άστριους]], Αυτά τα ορυκτά υπάρχουν σε πηλούς και διαφόρους τύπους [[πέτρωμα|πετρωμάτων]], όπως ο [[γρανίτης]] και ο [[ψαμμίτης]]. Στο φλοιό, το πυρίτιο υπάρχει ακόμη σε ορυκτά που περιέχουν πολύ καθαρό διοξείδιο του πυριτίου (SiO<sub>2</sub>) σε διαφόρες κρυσταλλικές μορφές [[χαλαζίας|χαλαζία]] (με τις παραλλαγές του όπως είναι ο [[χαλαζίας#Καπνίας|καπνίας]], ο [[αμέθυστος]], ο [[αχάτης]], ο [[χαλκηδόνιος]], ο [[οπάλιος]], το [[φυσικό κρύσταλλο]], ο [[πυριτόλιθος]] και ο [[ίασπις]]), Οι κρύσταλλοι αυτοί έχουν ως εμπερικό τύπο το διοξείδιο του πυριτίου, αλλά δεν αποτελούνται από ξεχωριστά μόρια διοξειδίου του πυριτίου, με την έννοια στερού [[Διοξείδιο του άνθρακα|διοξειδίου του άνθρακα]] (CO<sub>2</sub>). Αντίθετα, το διοξείδιο του πυριτίου αποτελείται δομικά από ένα [[στερεό]] δίκτυο από πυρίτιο και οξυγόνο σε τρισδιάστατους κρυστάλλους, όπως συμβαίνει και με το [[διαμάντι]]. Λιγότερο καθαρή μορφή υαλώδους οξειδίου του πυριτίου αποτελεί ο [[οψιδιανός]]. Βιογενικό διοξείδιο του πυριτίου βρίσκεται στα [[διάτομα]], στα [[ακτινόζωα]] και στους πυριτιούχους [[σπόγγος|σπόγγους]].
Το πυρἰτιο είναι επίσης το κύριο συστατικό πολλών [[μετεωρίτης|μετεωριτών]] και συστατικό των [[τεκτίτης|τεκτιτών]], ενός πυριτιούχου ορυκτού με πιθανή προέλευση από τη [[Σελήνη]], ή, αν προέρχεται από τη Γη, που έχει υποστεί την επίδραση ασυνήθιστων θερμοκρασιών και πιέσεων, όπως για παράδειγμα από τη σύγκρουση πετρωμάτων με κάποιο μετεωρίτη που έπεσε.
Γραμμή 199:
=== Ηλεκτρονικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο ===
Η χρήση του πυριτίου σε ημιαγωγικές συσκευές απαιτεί πολύ μεγαλύτερη καθαρότητα από το μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο.
==== Πρώιμες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου ====▼
Οι πρώιμες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου βασίζονταν στο γεγονός ότι αν το πυρίτιο λυώσει και επαναστερεοποιηθεί, τότε τα τελευταία τμήματα της μάζας του στερεοποιημένου πυριτίου περιέχουν τις περισσότερες προσμίξεις. Η πρωιμότερη μέθοδος καθαρισμού πυριτίου περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1919 και χρησιμοποιήθηκε σε περιορισμένη βάση για την κατασκευή τμημάτων [[ραντάρ]], κατά το [[Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος|Β΄ Παγκόσμιο Πόλεσμο]]. Περιελάμβανε συντριβή μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυριτλίου και μετά μερική διάλυση σκόνης (τέτοιου) πυριτίου σε ένα οξύ. Όταν συντρίβονταν το πυρίτιο, η θραύση γίνονταν στις περιοχές με μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις, γιατί οι περιοχές αυτές ήταν οι ασθενέστερες σε αντοχή. Δηλαδή στα προϊόντα της θραύσης, οι περιοχές με μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις βρίσκονταν γύρω από κόκκους καθαρότερου πυριτίου. Ως αποτέλεσμα, μετά τη θραύση, τα τμήματα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις ήταν οι πρώτες που ήταν εκτεθημένες στη μετέπειτα επίδραση του οξέος, με τελικό αποτέλεσμα να αφήνεται πίσω καθαρότερο προϊόν.▼
Η [[ζωνιακή τήξη]] (''zone melting''), γνωστή επίσης ως ζωνιακή διύλιση (''zone refining''), ήταν η πρώτη μέθοδος καθαρισμού πυριτίου που χρησιμοποιήθηκε σε ευρεία βιομηχανική κλίμακα. Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο, ράβδοι μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο θερμαίνονταν για να λυώσουν στο ένα τους (πάνω μόνο) άκρο. Έπειτα, η συσκευή θέρμανσης μετακινούνταν πολύ αργά προς τα κάτω κατά μήκος της ράβδου, διατηρώντας μικρό ποσοστό του μήκους της ράβδου λυωμένο, καθώς το προηγούμενα λυωμένο πυρίτιο ψύχονταν και επαναστερεοποιώνταν. Όταν η διαδικασία αυτή τελείωνε οι περισσότερες προσμείξεις είχαν τελικά μετακινηθεί και συγκεντρωθεί στο τελευταίο τμήμα που είχε λυώσει (στο κάτω μέρος της ράβδου). Μετά, αυτό το (κάτω) τμήμα αποκοβόταν και απομακρυνόταν. Η διεργασία αυτή επαναλαβανόταν, μέχρι να ληφθεί ο επιθυμητός βαθμός καθαρότητας πυριτίου.<ref>{{cite book|url=https://books.google.com/books?id=ATFo8Pr67uIC&pg=PA33|title=Silicon: Evolution and future of a technology|last2=Krimmel|first2=E. F|date=2004|isbn=978-3-540-40546-7|page=33|author1=Siffert|first1=Paul}}</ref>▼
==== Άλλες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου ====
[[File:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο ανεπτυγμένο με τη διεργασία Czochralski|481x481εσ]]
Ωστόσο, το ηλιακού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικροηλεκτρονικές συσκευές. Σε αυτό το επίπεδο, η καθαρότητα του υλικού ελέγχει [[Κβαντομηχανική|κβαντομηχανικές]] ιδιότητες, οπότε θα πρέπει να είναι πολύ υψηλή. Αρχικά, οι χύμα «γκοφρέτες» (''wafers'') πυριτίου που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πρέπει να καθαριστούν σε μια καθαρότητα 9Ν, δηλαδή 99,9999999%, μια διεργασία που απαιτεί επαναλαμβανόμενες εφαρμογές της τεχνολογίας καθαρισμού.
Γραμμή 207 ⟶ 215 :
Η πλειονότητα των κρυστάλλων πυριτίου που αναπτύχθηκαν για την παραγωγή συσκευών παράχθηκαν με τη διεργασία Τσοχράλσκι ('''''Cz'''ochralski process, '''Cz-Si'''''). Ήταν η οικονομικότερη διαθέσιμη μέθοδος. Ωστόσο, οι μονοκρύσταλλοι που αναπτύσσονται με τη διεργασία Τσοχράλσκι περιέχουν αρκετές προσμείξεις, γιατί αυτές διαλύονται στο χωνευτήριο που χρησιμοποιείται για την τήξη των πυριτιούχων αλάτων. Ιστορικά, ένας αριθμός από μεθόδους χρησιμοποιήθηκε για να επιτευχθεί η παραγωγή εξαιρετικά πολύ καθαρού πυριτίου.
== Χαρακτηριστικά ==
▲==== Πρώιμες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου ====
▲Οι πρώιμες τεχνικές καθαρισμού πυριτίου βασίζονταν στο γεγονός ότι αν το πυρίτιο λυώσει και επαναστερεοποιηθεί, τότε τα τελευταία τμήματα της μάζας του στερεοποιημένου πυριτίου περιέχουν τις περισσότερες προσμίξεις. Η πρωιμότερη μέθοδος καθαρισμού πυριτίου περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1919 και χρησιμοποιήθηκε σε περιορισμένη βάση για την κατασκευή τμημάτων [[ραντάρ]], κατά το [[Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος|Β΄ Παγκόσμιο Πόλεσμο]]. Περιελάμβανε συντριβή μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυριτλίου και μετά μερική διάλυση σκόνης (τέτοιου) πυριτίου σε ένα οξύ. Όταν συντρίβονταν το πυρίτιο, η θραύση γίνονταν στις περιοχές με μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις, γιατί οι περιοχές αυτές ήταν οι ασθενέστερες σε αντοχή. Δηλαδή στα προϊόντα της θραύσης, οι περιοχές με μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις βρίσκονταν γύρω από κόκκους καθαρότερου πυριτίου. Ως αποτέλεσμα, μετά τη θραύση, τα τμήματα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση σε προσμίξεις ήταν οι πρώτες που ήταν εκτεθημένες στη μετέπειτα επίδραση του οξέος, με τελικό αποτέλεσμα να αφήνεται πίσω καθαρότερο προϊόν.
=== Φυσικά χαρακτηριστικά ===
▲Η [[ζωνιακή τήξη]] (''zone melting''), γνωστή επίσης ως ζωνιακή διύλιση (''zone refining''), ήταν η πρώτη μέθοδος καθαρισμού πυριτίου που χρησιμοποιήθηκε σε ευρεία βιομηχανική κλίμακα. Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο, ράβδοι μεταλλουργικού βαθμού καθαρότητας πυρίτιο θερμαίνονταν για να λυώσουν στο ένα τους (πάνω μόνο) άκρο. Έπειτα, η συσκευή θέρμανσης μετακινούνταν πολύ αργά προς τα κάτω κατά μήκος της ράβδου, διατηρώντας μικρό ποσοστό του μήκους της ράβδου λυωμένο, καθώς το προηγούμενα λυωμένο πυρίτιο ψύχονταν και επαναστερεοποιώνταν. Όταν η διαδικασία αυτή τελείωνε οι περισσότερες προσμείξεις είχαν τελικά μετακινηθεί και συγκεντρωθεί στο τελευταίο τμήμα που είχε λυώσει (στο κάτω μέρος της ράβδου). Μετά, αυτό το (κάτω) τμήμα αποκοβόταν και απομακρυνόταν. Η διεργασία αυτή επαναλαβανόταν, μέχρι να ληφθεί ο επιθυμητός βαθμός καθαρότητας πυριτίου.<ref>{{cite book|url=https://books.google.com/books?id=ATFo8Pr67uIC&pg=PA33|title=Silicon: Evolution and future of a technology|last2=Krimmel|first2=E. F|date=2004|isbn=978-3-540-40546-7|page=33|author1=Siffert|first1=Paul}}</ref>
[[File:Silicon-unit-cell-3D-balls.png|σύνδεσμος=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Silicon-unit-cell-3D-balls.png|μικρογραφία|160x160εσ|Το πυρίτιο κρυσταλλώνεταιμε [[Διαμάντι|αδαμαντοειδή]] [[Κύβος|κυβική]] κρυσταλλική δομή.]]
''Δείτε επίσης:'' [[μονοκρυσταλλικό πυρίτιο]].
Το πυρίτιο είναι στερεό στις [[Κανονικές συνθήκες|κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος]], με [[Σημείο τήξης|θερμοκρασία τήξης]] 1.414°C και [[θερμοκρασία βρασμού]] 3.265°C. Όπως και το [[νερό]], έχει μεγαλύτερη [[πυκνότητα]] στην [[Υγρό|υγρή]] του κατάσταση, παρά στη στερεή του, και γι' αυτό διαστέλλεται όταν [[Πήξη|πήζει]], αντίθετα από τις περισσότερες άλλες [[Χημική ουσία|χημικές ουσίες]]. Έχει σχετικά υψηλή [[θερμική αγωγιμότητα]] 149 W·m<sup>−1</sup>·K<sup>−1</sup>, οπότε το πυρίτιο άγει τη θερμότητα καλά.
Στην κρυσταλλική αλλομορφή του, το χημικά καθαρό πυρίτιο έχει γκρι [[χρώμα]] και μεταλλική λάμψη. Αντίθετα από το γερμάνιο το πυρίτιο είναι μάλλον ανθεκτικό, πολύ εύθραυστο, και επιρρεπές σε ξεφλούδισμα. Το πυρίτιο, όπως ο άνθρακας και το γερμάνιο, κρυσταλλώνεται με [[Διαμάντι|αδαμαντοειδή]] [[Κύβος|κυβική]] κρυσταλλική δομή, με απόσταση πλέγματος 543,0710 [[Πικόμετρο|pm]].<ref>{{cite book|url=https://books.google.com/?id=COcVgAtqeKkC&pg=PA351|title=Handbook of Semiconductor Silicon Technology|last=O'Mara|first=William C.|date=1990|publisher=William Andrew Inc.|isbn=0-8155-1237-6|pages=349–352}}</ref>
Η εξώτατη ηλεκτρονιακή στιβάδα του ατόμου του πυριτίου, όπως και του άνθρακα, περιέχει τέσσερα (4) ηλεκτρόνια σθένους. Οι υποστιβάδες 1s, 2s, 2p και 3s είναι συμπληρωμένες, ενώ η υποστιβάδα 3p έχει πληρότητα 2/6.
Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός. Έχει αρνητικό θερμικό συντελεστή [[Ηλεκτρική αντίσταση|αντίστασης]], εφόσον ο αριθμός των ελεύθερων φορέων φορτίου αυξάνει με τη θερμοκρασία. Η ηλεκτρική αντίσταση μονοκρυσταλλικού πυριτίου αλλάζει σημαντικά υπό την εφαρμογή μηχανικής πίεσης, εξαιτίας του [[Πιεζοηλεκτρισμός|πιεζοηλεκτρικού φαινομένου]].<ref>{{cite journal|url=https://books.google.com/books?id=C_TWB_0rRLgC&pg=PA421|title=Properties of crystalline silicon|date=1999|page=421|isbn=978-0-85296-933-5|author1=Hull|first1=Robert}}</ref>
== Χημικές ιδιότητες==
| |||