Silizium ist wirklich allgegenwärtig, wird aber fast nie als freies Element in der Natur gefunden. Stattdessen kommt es meist als Siliziumdioxid, besser bekannt als Sand oder Quarz, oder in Silikatmineralien vor, die im Allgemeinen in Form von Ton oder Gestein vorkommen. Es wurde zuerst vorgeschlagen, dass Quarzsand wahrscheinlich das Oxid eines bisher unbekannten Elements von Antoine Lavoisier im Jahre 1787 war. Im Jahr 1808 nannte Sir Humphry Davy dieses hypothetische Element „silicium“ und kombinierte das lateinische Silex, was Stein bedeutet, mit dem traditionellen -ium, das metallischen Elementen oft gegeben wird. Der Name wurde 1817 in Silizium geändert, da das -on-Ende auf eine engere Beziehung zu den nichtmetallischen Elementen Bor und Kohlenstoff hindeutete, aber erst 1823 gelang es dem schwedischen Chemiker Jons Jacob Berzelius, reines amorphes Silizium herzustellen und als erster das Element zu „entdecken“.

Die überwiegende Mehrheit des kommerziell verwendeten Siliziums wird niemals aus den Materialien, in denen es natürlich vorkommt, getrennt, die vor der Verwendung oft ziemlich minimal verarbeitet werden. Silikat-Tone werden zur Herstellung von Weißzeugkeramiken wie Porzellan und zur Herstellung von keramischen Ziegeln und Zement als Baumaterial verwendet. Silikathaltiges Gestein wie Granit wird direkt in strukturellen und dekorativen Anwendungen verwendet, und Quarzsand, gemischt mit Kies und Zement, erzeugt Beton. Sand wird auch häufig als Schleifmittel und als Füllstoff in Kunststoffen, Gummi und Farben verwendet. Darüber hinaus hat Kieselgur, eine Form von Kieselsäuregestein, das aus versteinerten Überresten von Kieselalgen besteht, viele direkte kommerzielle Anwendungen, insbesondere als Absorptionsmittel, Filtermedium, mildes Schleifmittel und natürliches Pestizid.Raffiniertere Siliciumprodukte machen einen viel geringeren Anteil des kommerziellen Siliciumverbrauchs aus, sind aber dennoch wirtschaftlich äußerst wichtig. Gewöhnlicher Quarzsand ist der Ausgangspunkt für die Herstellung einer Vielzahl von raffinierten Siliziumdioxidprodukten, anderen Siliziumverbindungen, siliziumhaltigen Legierungen und elementarem Silizium in verschiedenen Reinheitsgraden, die alle eine bedeutende Rolle in der Industrie spielen. Die folgenden Absätze geben einen Überblick über die wichtigsten Kategorien von Silizium-Endverwendungen, stellen jedoch keine erschöpfende Liste dar.

Silizium in Legierungen

Silizium wird üblicherweise als Legierungselement verwendet. Quarzsand wird mit Kohlenstoff in Gegenwart von Eisen reduziert, um Ferrosilicium herzustellen, das dann in siliziumhaltigen Stählen verwendet werden kann. In geschmolzenem Eisen hilft Silizium bei der Aufrechterhaltung des Kohlenstoffgehalts innerhalb enger Grenzen, die für eine bestimmte Stahlsorte erforderlich sind. In größeren Mengen wie in Elektroband verwendet, beeinflusst Silizium den spezifischen Widerstand und die ferromagnetischen Eigenschaften des Materials günstig.

Für den Einsatz in Nichteisenlegierungen wird metallurgisches Silizium durch Reaktion von hochreinem Siliciumdioxid mit Kohlenstoff in einem Elektrolichtbogenofen hergestellt. Die gebräuchlichsten Nichteisen-Siliziumlegierungen sind Aluminium-Silizium-Legierungen. Die entsprechenden Anteile von Aluminium und Silizium erzeugen ein Material, das während der Erstarrung eine sehr geringe thermische Kontraktion aufweist, was es ideal für Gussanwendungen macht. Metallurgisches Silikon wird auch als geringfügiges Legierungsmittel in einigen anderen Legierungen benutzt, die für fachkundige Anwendungen bestimmt sind.

Hochfeste Keramik

Siliziumnitrid wurde erstmals im neunzehnten Jahrhundert synthetisch hergestellt und ist der Wissenschaft etwa so lange bekannt wie Siliziumkarbid, nahm jedoch einen viel langsameren Weg zur kommerziellen Nutzung. Das Potenzial von Siliziumnitrid als Feuerfestmaterial wurde erstmals in den 1950er Jahren erkannt, und tatsächlich wurde das Material als Bindemittel in Siliziumkarbidkeramiken verwendet, eine Verwendung, die bis heute andauert. Reine Siliziumnitridkeramiken erwiesen sich jedoch als äußerst schwierig herzustellen, und frühe Produktionsmethoden führten entweder zu Materialien mit nicht idealen oder unzuverlässigen mechanischen Eigenschaften oder verwendeten Produktionsmethoden, die die Arten von Teilen, die hergestellt werden konnten, stark einschränkten. Gesinterte Siliziumnitrid-Keramikbauteile können heute mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, dies erfordert jedoch extrem reines Siliziumnitrid-Nanopulver und genau kontrollierte Herstellungsbedingungen, die beide zu den hohen Kosten dieses Materials beitragen. Diese Materialien haben eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit und werden in kleinen Motorkomponenten verwendet. Darüber hinaus kann Siliziumnitrid zur Herstellung von Kugellagern verwendet werden, die korrosive Umgebungen, hohe Betriebstemperaturen und geringe Schmierung tolerieren, während sie eine bessere Leistung erbringen und weniger wiegen als Alternativen. Sialons, Keramiken, die mit Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und manchmal Seltenerdoxiden hergestellt werden, wurden zuerst als Reaktion auf Schwierigkeiten bei der Herstellung von gesinterten Siliziumnitridkeramiken entwickelt. Es gibt viele Variationen von Sialons, da Variationen in Ausgangszusammensetzungen sowie in Produktionstechniken Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen können, die sich aus Unterschieden in der Kristallstruktur ergeben. Einige dieser Variationen behalten viele der wünschenswerten Eigenschaften von Siliziumnitrid bei und bieten gleichzeitig den zusätzlichen Vorteil einfacherer Produktionsprozesse. Andere Varianten werden formuliert, um zusätzliche Eigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit oder Widerstand zur Beschädigung in der spezifischen chemischen Umwelt zur Verfügung zu stellen. Derzeit werden Sialons vor allem in Schneidwerkzeugen und industriellen Maschinenkomponenten eingesetzt, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind.

Die Halbleitereigenschaften von Siliziumkarbid sind seit dem frühen zwanzigsten Jahrhundert bekannt, als das Material in Funkdetektoren und den ersten LEDs Verwendung fand. Diese und einige andere Anwendungen wurden jedoch in den frühen Tagen der Halbleiterbauelemente entwickelt, und seitdem wurden alternative Materialien mit Eigenschaften entwickelt, die für diese Anwendungen besser geeignet sind, wodurch Siliziumkarbid weitgehend von seinen historischen Funktionen verdrängt wurde. Die Forschung zur Entwicklung von Siliziumkarbid als Halbleiter hat sich seitdem explizit auf die Nutzung seiner Stärken konzentriert, zu denen seine Fähigkeit gehört, bei hohen Temperaturen und in starken elektrischen Feldern zu arbeiten. Diese Eigenschaften ermöglichen theoretisch die Herstellung von viel kleineren, schnelleren, energieeffizienteren und wärmetoleranteren elektronischen Geräten, als dies mit herkömmlichen siliziumbasierten Technologien möglich ist. Anfänglich Schwierigkeiten bei der Herstellung von Siliziumkarbidkristallen ohne Defekte behinderten die Entwicklung anspruchsvoller Siliziumkarbidelektronik, aber funktionelle Siliziumkarbiddioden und Transistoren sind jetzt im Handel erhältlich, und die Entwicklung dieser Technologien ist im Gange.

Amorphes Siliziumnitrid, das durch chemische Gasphasenabscheidung in dünnen Schichten hergestellt werden kann, ist ein wichtiges Material bei der Herstellung integrierter Schaltkreise, wo es strukturell als elektrischer Isolator oder Schutzpassivierungsschicht oder als Ätzmaske im Bearbeitungsprozess verwendet wird. Zusätzlich werden dotierte Siliziumnitride für die Verwendung als Halbleiter in Bauelementen wie LEDs untersucht, und sowohl Siliziumnitrid als auch Sialon können dotiert werden, um Leuchtstoffe herzustellen.

Kieselsäuregläser

Im allgemeinen Sprachgebrauch bezieht sich Glas auf Kalk-Natron-Glas, ein Glas auf Kieselsäurebasis, das durch Schmelzen von Quarzsand zusammen mit Natriumcarbonat, Kalk, Dolmit und Aluminiumoxid hergestellt wird. Dies ist das Glas, das üblicherweise in Fensterscheiben und Getränkebehältern verwendet wird. Die meisten anderen Produkte, die allgemein als Glas bekannt sind, basieren ebenfalls auf Kieselsäure, haben jedoch unterschiedliche Zusammensetzungen, um Eigenschaften zu erzeugen, die für bestimmte Anwendungen günstig sind. Beispielsweise enthalten Borosilikatgläser, die häufig unter dem Namen Pyrex verkauft werden, Boroxid, zeichnen sich durch ihre überlegene Wärmeschockbeständigkeit aus und werden für Laborglaswaren, Haushaltskochgeschirr und optische Komponenten verwendet. Aluminosilicatglas, eine andere allgemeine Vielzahl, wird im Verbundwerkstoff Fiberglas und im bruchsicheren Glas benutzt, das für Windschutzscheiben von Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen und in zunehmendem Maße herausgestellte Glasoberflächen auf tragbaren elektronischen Geräten wie Handys benutzt wird.

Alternativ kann Glas aus reinem Siliziumdioxid ohne Zusatz anderer Verbindungen hergestellt werden. Das resultierende Material wird als Quarzglas bezeichnet und ist im Vergleich zu Kalk-Natronglas stärker, hat bessere optische Eigenschaften und widersteht Wärmeschocks besser. Es schmilzt auch bei einer viel höheren Temperatur. Diese Eigenschaft, obwohl oft wünschenswert, macht es erheblich teurer zu produzieren als andere Arten von Glas. Es wird daher hauptsächlich für Anwendungen eingesetzt, die diese verbesserten Eigenschaften erfordern, darunter die Herstellung von optischen Präzisionskomponenten wie hochwertigen Linsen und optischen Fasern, Photolithographiemasken und feuerfesten Materialien für den Einsatz in Hochtemperatur-Labor- und Industrieprozessen.

Synthetischer Quarz

Quarz ist ein natürliches piezoelektrisches Material, das in Quarzoszillatoren verwendet wird, um die Zeit in Uhren und digitalen Geräten zu markieren und die Frequenz in Hochfrequenzgeräten zu standardisieren. Quarz für diese Verwendung wird im Allgemeinen synthetisch aus Quarzsand hergestellt, da dies eine Feinmechanik der Kristalleigenschaften ermöglicht.

Silicone

Silicone sind gemischte organisch-anorganische Polymere, die im Allgemeinen aus einem Silizium-Sauerstoff-Rückgrat bestehen, das mit Kohlenwasserstoffseitengruppen verbunden ist. Die Variation der vorhandenen Kohlenwasserstoffgruppen, der Silicium-Sauerstoff-Kettenlängen und des Vernetzungsgrades kann eine breite Palette von Materialien erzeugen, von Silikonölschmierstoffen bis hin zu harten Silikonharzen, aber alle neigen dazu, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, chemische Reaktivität und Toxizität zu zeigen. Die breite Palette der möglichen Konsistenzen und die einfache Herstellung sowie ihre polymere Struktur führen zu einem Vergleich mit Kunststoffen auf Kohlenwasserstoffbasis, und in Haushaltsgeräten werden die Materialien manchmal austauschbar verwendet. Die geringe Toxizität und hohe Wärmestabilität von Silikonprodukten ermöglichen jedoch ein breiteres Anwendungsspektrum in Kochgeschirr und medizinischen Geräten. Silikone werden zusätzlich für elektrische und thermische Isolierungen, Kleb- und Dichtstoffe, Industrieschmierstoffe, Lösungsmittel für die chemische Reinigung und Körperpflegeprodukte verwendet.

Ultrahochreines Silizium in Elektronik und Photovoltaik

Trotz der Tatsache, dass Wafer-Silizium, das in Halbleiterbauelementen verwendet wird, nur einen winzigen Bruchteil der kommerziellen Nutzung des Elements ausmacht, ist diese einzige Anwendung am engsten mit öffentlichen Vorstellungen von Silizium verbunden, da sein Einfluss auf das moderne Leben tiefgreifend war. Obwohl weder die ersten integrierten Schaltungen (Germanium) noch die ersten Solarzellen (Selen) Silizium enthielten, war hochreines Silizium für den größten Teil der Geschichte beider Industrien zweifellos das dominierende Halbleitermaterial.

Für integrierte Schaltungsanwendungen stören selbst winzige Kristalldefekte winzige Schaltungspfade, was die Verwendung von monokristallinem Silizium erforderlich macht. Dieses Material wird unter Verwendung des Czochralski-Kristallwachstumsprozesses hergestellt, der ein langsames Wachstum eines Einkristalls aus geschmolzenem hochreinem Silizium in einer sorgfältig kontrollierten Umgebung erfordert. Integrierte Schaltungen werden mit dünnen Wafern gebaut, die aus diesen Kristallen geschnitten werden, ebenso wie die Silizium-Photovoltaikzellen mit dem höchsten Wirkungsgrad. Andere Halbleiterbauelemente erfordern im Allgemeinen kein monokristallines Silizium, erfordern jedoch dennoch eine hohe Reinheit, um die elektrischen Eigenschaften des Materials zu steuern. Hochreines amorphes oder polykristallines Silizium findet sich in den meisten Silizium-Photovoltaikzellen und einigen anderen großflächigen Halbleiterbauelementen.

Synthetische Kieselsäureprodukte

Es gibt viele Formen von synthetischem Siliziumoxid, einschließlich gefällter Kieselsäure, kolloidaler Kieselsäure, Kieselgel, pyrogener Kieselsäure und Kieselsäurerauch. Obwohl jedes Produkt hauptsächlich Siliziumdioxid ist, wird jedes als Ergebnis eines anderen industriellen Prozesses hergestellt, und sie variieren in der Partikelgröße. Üblicherweise werden diese Produkte als milde Schleifmittel, Antibackmittel oder Verdickungsmittel in Lebensmitteln, Absorptionsmittel oder als Füllmaterial in Kunststoffen, Kautschuken, Silikonen oder Zement eingesetzt, obwohl die genauen Endverwendungen je nach Form variieren.

Kieselgel ist die Form der synthetischen Kieselsäure, die den Verbrauchern am besten bekannt ist. Diese mikroporösen Kieselsäureperlen werden üblicherweise in kleinen Papierpaketen gefunden, die in Verpackungen verschiedener Produkte enthalten sind, um überschüssige Feuchtigkeit aufzunehmen. Die gleichen Absorptionseigenschaften werden für die Verwendung in Katzenstreu ausgenutzt. Kieselgel wird auch in chemischen Laboratorien als stationäre Phase für die Chromatographie oder, wenn es mit kovalent gebundenen funktionellen Gruppen modifiziert ist, als Reduktions- oder Chelatbildner verwendet.