Pii on todella kaikkialla, mutta sitä ei juuri koskaan löydy vapaana alkuaineena luonnosta. Sen sijaan sitä esiintyy enimmäkseen piidioksidina, yleisemmin hiekkana tai kvartsina, tai silikaattimineraaleina, yleensä saven tai kiven muodoissa. Antoine Lavoisier esitti ensimmäisen kerran vuonna 1787, että silikahiekka olisi todennäköisesti aiemmin tuntemattoman alkuaineen oksidi. Vuonna 1808 Sir Humphry Davy antoi tälle hypoteettiselle alkuaineelle nimen ”silicium” yhdistäen latinankielisen silexin, joka tarkoittaa kiveä, ja perinteisen-ium-päätteen, joka usein annetaan metallisille alkuaineille. Nimi muutettiin piiksi vuonna 1817, koska-on-pääte ehdotti sen lähempää yhteyttä ei-metallisiin alkuaineisiin booriin ja hiileen, mutta vasta vuonna 1823 ruotsalainen kemisti Jons Jacob Berzelius onnistui lopulta valmistamaan puhdasta amorfista piitä ja sai ensimmäisenä näin tehneenä kunnian alkuaineen ”löytämisestä”.

suurinta osaa kaupallisesti käytetystä piistä ei koskaan eroteta niistä materiaaleista, joissa sitä esiintyy luonnostaan ja joita käsitellään usein melko vähän ennen käyttöä. Silikaattisavea käytetään valkokeramiikan kuten posliinin valmistuksessa sekä rakennusmateriaalina käytettävien keraamisten tiilien ja sementin valmistuksessa. Silikaattipitoista kiveä, kuten graniittia, käytetään suoraan rakenne-ja koristesovelluksissa, ja soraan ja sementtiin sekoitettu silikaattihiekka tuottaa betonia. Hiekkaa käytetään laajalti myös hioma-aineena ja täyteaineena muoveissa, kumissa ja maaleissa. Lisäksi piimaalla, piimaalla, joka on silikaattikiven muoto, joka koostuu piilevien fossiloituneista jäännöksistä, on monia suoria kaupallisia sovelluksia, erityisesti imukykyisenä, suodattavana väliaineena, mietona hioma-aineena ja luonnollisena torjunta-aineena.

jalostetumpien piituotteiden osuus kaupallisesta piin käytöstä on paljon pienempi, mutta ne ovat kuitenkin taloudellisesti erittäin tärkeitä. Yhteinen silikahiekka on lähtökohta erilaisten puhdistettujen piituotteiden, muiden piiyhdisteiden, piipitoisten seosten ja alkuainepiin valmistamiselle eri puhtaustasoilla, joilla kaikilla on merkittävä rooli teollisuudessa. Seuraavissa kappaleissa esitetään yleiskatsaus piin loppukäytön pääluokista, mutta ne eivät muodosta kattavaa luetteloa.

seosaineena käytetään yleisesti piitä

. Silikahiekkaa pelkistetään hiilen avulla raudan läsnä ollessa ferrosilikonin tuottamiseksi, jota voidaan sitten käyttää piitä sisältävissä teräksissä. Sulassa raudassa pii auttaa pitämään hiilipitoisuuden tietyn teräslaadun vaatimissa kapeissa rajoissa. Suuremmissa määrissä, kuten sähköteräksessä, pii vaikuttaa suotuisasti materiaalin resistiivisyyteen ja ferromagneettisiin ominaisuuksiin.

ei-rautaseoksissa käytettävää metallurgista piitä valmistetaan reagoimalla erittäin puhdasta piitä hiilen kanssa valokaariuunissa. Yleisimmät ei-rautapitoiset piiseokset ovat alumiini-piiseokset. Sopiva määrä alumiinia ja piitä tuottaa materiaalia, joka osoittaa hyvin vähän terminen supistuminen jähmettymisen aikana, joten se on ihanteellinen valu sovelluksia. Metallurgista piitä käytetään myös pienenä seosaineena useissa muissa erikoistuneisiin sovelluksiin suunnitelluissa seoksissa.

lujaa keramiikkaa

tuotettiin synteettisesti ensimmäisen kerran 1800-luvulla, piinitridi on ollut tieteen tiedossa suunnilleen yhtä kauan kuin piikarbidi, mutta siitä huolimatta se kulki paljon hitaammin kaupalliseen hyödyntämiseen. Piinitridin potentiaali tulenkestävänä materiaalina tunnustettiin ensimmäisen kerran 1950-luvulla, ja itse asiassa materiaalia alettiin käyttää sideaineena piikarbidikeramiikassa, jonka käyttö jatkuu jossain määrin nykyäänkin. Puhdas piinitridikeramiikka osoittautui kuitenkin erittäin vaikeaksi valmistaa, ja varhaiset tuotantomenetelmät joko johtivat materiaaleihin, joiden mekaaniset ominaisuudet eivät olleet ihanteelliset tai epäluotettavat, tai käyttivät tuotantomenetelmiä, jotka rajoittivat ankarasti valmistettavien osien tyyppejä. Nykyään sintrattuja piinitridikeraamisia komponentteja voidaan valmistaa erinomaisilla mekaanisilla ominaisuuksilla, mutta tämä edellyttää erittäin puhdasta piinitridinanopuuteria ja tarkasti valvottuja valmistusolosuhteita, jotka molemmat edistävät tämän materiaalin korkeita kustannuksia. Näillä materiaaleilla on erinomainen iskunkestävyys, ja niitä on alettu käyttää pienissä Moottorin osissa. Lisäksi piinitridiä voidaan käyttää tuottamaan kuulalaakereita, jotka kestävät syövyttäviä ympäristöjä, korkeita käyttölämpötiloja ja alhaista voitelua samalla kun ne toimivat paremmin ja painavat vähemmän kuin vaihtoehdot.

sialonit, alumiinioksidilla, piinitridillä ja joskus harvinaisten maametallien oksideilla tuotettu keramiikka, kehitettiin ensimmäisen kerran vastauksena vaikeuksiin valmistaa sintrattua piinitridikeramiikkaa. Sialoneista on olemassa monia variaatioita, sillä sekä lähtökoostumuksissa että tuotantotekniikoissa voidaan tuottaa materiaaleja, joiden ominaisuudet ovat hyvin erilaiset, mikä johtuu kiderakenteen eroista. Jotkin näistä muunnelmista säilyttävät monet piinitridin toivottavista ominaisuuksista ja tarjoavat samalla lisäetua helpommista tuotantoprosesseista. Muut muunnokset on suunniteltu antamaan lisäominaisuuksia, kuten sähkönjohtavuus tai vaurioiden kestävyys tietyissä kemiallisissa ympäristöissä. Tällä hetkellä sialoneja käytetään pääasiassa leikkuutyökaluissa ja teollisuuden koneosien ääriolosuhteissa.

piikarbidin puolijohdeominaisuudet on tunnettu 1900-luvun alusta lähtien, jolloin materiaalille löytyi käyttöä radioilmaisimissa ja ensimmäisissä LEDeissä. Nämä ja monet muut käyttötarkoitukset kehitettiin kuitenkin jo puolijohdekomponenttien alkuaikoina, ja sittemmin on kehitetty vaihtoehtoisia materiaaleja, joiden ominaisuudet soveltuvat paremmin näihin sovelluksiin ja jotka suurelta osin syrjäyttävät piikarbidin sen historiallisista toiminnoista. Piikarbidia puolijohteena kehittävässä tutkimuksessa on sittemmin keskitytty nimenomaan hyödyntämään sen vahvuuksia, joihin kuuluu sen kyky suoriutua korkeissa lämpötiloissa ja voimakkaissa sähkökentissä. Nämä ominaisuudet mahdollistavat teoriassa paljon pienempien, nopeampien, energiatehokkaampien ja lämpöä sietävämpien elektronisten laitteiden tuotannon kuin perinteisillä piipohjaisilla teknologioilla on mahdollista. Alun perin vaikeudet tuottaa piikarbidikiteitä ilman vikoja vaikeuttivat kehittyneen piikarbidielektroniikan kehittämistä, mutta toimivia piikarbididiodeja ja transistoreja on nyt kaupallisesti saatavilla, ja näiden teknologioiden kehitys on käynnissä.

amorfinen piinitridi, jota voidaan valmistaa ohuina kerroksina kemiallisella höyrypinnoituksella, on tärkeä materiaali integroitujen piirien valmistuksessa, jossa sitä käytetään rakenteellisesti sähköeristeenä tai suojaavana passivointikerroksena tai etsausmaskina työstöprosessissa. Lisäksi tutkitaan seostettuja piinitridejä käytettäväksi puolijohteena laitteissa kuten LEDeissä, ja sekä piinitridiä että sialonia voidaan seostaa fosforien tuottamiseksi.

Piidioksidilasi

yleisessä käytössä lasi viittaa soodakalkkilasiin, piidioksidipohjaiseen lasiin, jota valmistetaan sulattamalla kvartsihiekkaa yhdessä natriumkarbonaatin, kalkin, dolmiitin ja alumiinioksidin kanssa. Tätä lasia käytetään yleisesti ikkunalaseissa ja juoma-astioissa. Useimmat muut tuotteet, jotka tunnetaan yleisesti nimellä lasi, ovat myös piidioksidipohjaisia, mutta niillä on erilaisia koostumuksia, joiden tarkoituksena on tuottaa ominaisuuksia, jotka ovat suotuisia tiettyihin käyttötarkoituksiin. Esimerkiksi Borosilikaattilasit, joita myydään usein Pyrex-nimellä, sisältävät boorioksidia, ovat merkittäviä niiden erinomaisesta kyvystä kestää lämpöshokkia, ja niitä käytetään laboratoriolaseissa, kotitalouskeittimissä ja optisissa komponenteissa. Aluminosilikaattilasia, toinen yleinen lajike, käytetään komposiittimateriaalista lasikuitu, ja iskunkestävä lasi käytetään tuulilaseihin nopeiden ajoneuvojen ja yhä alttiina lasipinnat kannettavien elektronisten laitteiden, kuten matkapuhelimet.

vaihtoehtoisesti voidaan valmistaa lasia puhtaasta piidioksidista, johon ei ole lisätty muita yhdisteitä. Tuloksena oleva materiaali tunnetaan sulatettuna kvartsina, ja verrattuna sooda-kalkkilasiin on vahvempi, sillä on paremmat optiset ominaisuudet ja se kestää paremmin lämpöshokkia. Se myös sulaa huomattavasti korkeammassa lämpötilassa. Tämä ominaisuus, vaikka se on usein toivottavaa, tekee sen valmistamisesta huomattavasti kalliimpaa kuin muunlaisen lasin. Sen vuoksi sitä käytetään pääasiassa sovelluksissa, jotka edellyttävät näitä parempia ominaisuuksia, kuten tarkkuusoptisten komponenttien, kuten korkealaatuisten linssien ja optisten kuitujen, fotolitografian naamareiden ja tulenkestävien materiaalien tuottaminen korkean lämpötilan laboratorio-ja teollisuusprosesseissa.

synteettinen kvartsi

kvartsi on luonnollinen pietsosähköinen materiaali, jota käytetään kideoskillaattoreissa, joita käytetään ajan merkitsemiseen kelloissa ja digitaalisissa laitteissa sekä taajuuden standardointiin radiotaajuuslaitteissa. Tähän käyttöön tarkoitettu kvartsi valmistetaan yleensä synteettisesti silikahiekasta, koska tämä mahdollistaa kideominaisuuksien täsmätekniikan.

silikonit

silikonit ovat orgaanis-epäorgaanisia polymeerejä, jotka koostuvat yleensä hiilivetyjen sivuryhmiin kytketystä pii-happi-selkärangasta. Vaihtelemalla läsnä olevia hiilivetyryhmiä, pii-happi-ketjun pituuksia ja ristisitoutumisastetta voidaan tuottaa monenlaisia materiaaleja silikoniöljyvoiteluaineista koviin silikonihartseihin, mutta kaikilla on taipumus osoittaa alhainen lämmönjohtavuus, kemiallinen reaktiivisuus ja myrkyllisyys. Mahdolliset koostumukset ja valmistuksen helppous sekä niiden polymeerirakenne edellyttävät vertailua hiilivetypohjaisiin muoveihin,ja kotitalouslaitteissa materiaaleja käytetään joskus vaihdellen. Silikonituotteiden alhainen myrkyllisyys ja korkea lämpöstabiilisuus mahdollistavat kuitenkin laajemmat käyttötarkoitukset keittoastioissa ja lääkinnällisissä laitteissa. Silikonit käytetään lisäksi sähkö-ja lämpöeristys, liima, tiiviste, teollisuuden voiteluaineet, kuivapesu liuotin, ja henkilökohtaiset hoitotuotteet.

erittäin puhdas pii elektroniikassa ja aurinkosähkössä

huolimatta siitä, että puolijohdekomponenteissa käytettävä piikiekko on vain murto-osa alkuaineen kaupallisesta käytöstä, tämä yksittäinen sovellus on kaikkein läheisimmin sidoksissa piin julkisiin käsityksiin, sillä sen vaikutus nykyaikaiseen elämään on ollut merkittävä. Vaikka ensimmäiset integroidut piirit (germanium) ja ensimmäiset aurinkokennot (seleeni) eivät sisältäneet piitä, suurimman osan molempien teollisuudenalojen historiasta erittäin puhdas pii on ollut kiistatta hallitseva puolijohdemateriaali.

integroitujen piirien sovelluksissa pienetkin kideviat häiritsevät pieniä piirireittejä, mikä edellyttää yksikiteisen piin käyttöä. Tämä materiaali on tuotettu käyttäen Czochralski crystal kasvuprosessia, joka vaatii yhden valtavan Kiteen hidasta kasvua sulasta erittäin puhtaasta piistä huolellisesti valvotussa ympäristössä. Integroidut piirit rakennetaan ohuista kiekoista, jotka on leikattu näistä kiteistä, samoin kuin korkeatehoisimmat pii-aurinkokennot. Muut Puolijohdekomponentit eivät yleensä vaadi yksikiteistä piitä, mutta vaativat silti erittäin puhdasta valvoa materiaalin sähköisiä ominaisuuksia. Erittäin puhdasta amorfista tai monikiteistä piitä esiintyy useimmissa pii-aurinkokennoissa ja joissakin muissa suuren alueen puolijohdekomponenteissa.

synteettisiä piioksidituotteita

synteettistä piioksidia on monia muotoja, kuten saostettua piidioksidia, kolloidista piidioksidia, silikageeliä, savuavaa piidioksidia ja piidioksidisumua. Vaikka jokainen tuote on pääasiassa piidioksidia, jokainen tuotetaan eri teollisen prosessin tuloksena, ja niiden hiukkaskoko vaihtelee. Yleisesti näitä tuotteita käytetään mietoina hankaavia aineita, paakkuuntumisenestoaineita tai sakeuttamisaineita elintarvikkeissa, absorbointiaineissa tai täyteaineena muoveissa, kumeissa, silikoneissa tai sementissä, vaikka tarkat loppukäyttötavat vaihtelevat muodon mukaan.

silikageeli on kuluttajille tutuin synteettisen piidioksidin muoto. Nämä mikrohuokoiset piidioksidihelmet ovat yleisesti pienissä paperipakkauksissa, jotka sisältyvät erilaisten tuotteiden pakkauksiin ylimääräisen kosteuden imemiseksi. Samoja imeytymisominaisuuksia hyödynnetään myös kissanhiekassa. Silikageeliä käytetään myös kemian laboratorioissa stationäärifaasina kromatografiassa tai kovalenttisesti sitoutuneilla funktionaalisilla ryhmillä muunnettuna pelkistävänä tai kelatoivana aineena.