silicium is echt alomtegenwoordig, maar wordt bijna nooit gevonden Als het vrije element in de natuur. In plaats daarvan komt het vooral voor als siliciumdioxide, beter bekend als zand of kwarts, of in silicaatmineralen, meestal in de gevonden in de vormen van klei of gesteente. In 1787 stelde Antoine Lavoisier voor dat kiezelzand waarschijnlijk het oxide was van een voorheen onbekend element. In 1808 noemde Sir Humphry Davy dit hypothetische element “silicium”, een combinatie van het Latijnse Silex, wat steen betekent, met het traditionele-ium-einde dat vaak wordt gegeven aan metalen elementen. De naam werd veranderd in silicium in 1817, omdat de-on ending suggereerde dat het een nauwere relatie zou hebben met de niet-metalen elementen borium en koolstof, maar pas in 1823 slaagde de Zweedse chemicus Jons Jacob Berzelius er uiteindelijk in om zuiver amorf silicium voor te bereiden en als de eerste die dit deed, kreeg hij de eer om het element te “ontdekken”.

het grootste deel van het commercieel gebruikte silicium wordt nooit gescheiden van de materialen waarin het van nature voorkomt, die vaak vrij minimaal worden verwerkt vóór gebruik. Silicaat klei wordt gebruikt voor de productie van witgoed keramiek zoals porselein en bij het maken van keramische bakstenen en cement gebruikt als bouwmaterialen. Silicaathoudend gesteente zoals graniet wordt direct gebruikt in structurele en decoratieve toepassingen, en silica zand gemengd met grind en cement produceert beton. Zand wordt ook veel gebruikt als schuurmiddel en als vulmiddel in kunststoffen, rubber en verven. Daarnaast heeft diatomeeënaarde, een vorm van kiezelsteen bestaande uit gefossiliseerde resten van diatomeeën, vele directe commerciële toepassingen, vooral als absorberend middel, een filtratiemedium, een mild schuurmiddel en een natuurlijk pesticide.

meer geraffineerde siliciumproducten nemen een veel kleiner deel van het commerciële gebruik van silicium voor hun rekening, maar zijn niettemin economisch van groot belang. Common silica sand is het uitgangspunt voor de productie van een verscheidenheid aan geraffineerde silica producten, andere silicium verbindingen, silicium-bevattende legeringen, en elementair silicium op verschillende niveaus van zuiverheid, die allemaal een belangrijke rol spelen in de industrie. De volgende paragrafen geven een overzicht van de belangrijkste categorieën van eindgebruik van silicium, maar vormen geen uitputtende lijst.

silicium in legeringen

silicium wordt gewoonlijk gebruikt als legeringselement. Siliciumzand wordt gereduceerd met koolstof in de aanwezigheid van ijzer om ferrosilicium te produceren, dat vervolgens kan worden gebruikt in silicium-bevattende staalsoorten. In gesmolten ijzer helpt silicium om het koolstofgehalte binnen de voor een bepaalde staalsoort vereiste smalle grenzen te houden. Gebruikt in grotere hoeveelheden, zoals in elektrisch staal, silicium gunstig beïnvloedt weerstand en ferromagnetische eigenschappen van het materiaal.

voor gebruik in non-ferrolegeringen wordt silicium van metallurgische kwaliteit geproduceerd door siliciumdioxide met hoge zuiverheid te laten reageren met koolstof in een vlamboogoven. De meest voorkomende non-ferro silicium legeringen zijn aluminium-silicium legeringen. De juiste verhoudingen van aluminium en silicium produceren een materiaal dat zeer weinig thermische samentrekking vertoont tijdens het stollen, waardoor het ideaal is voor giettoepassingen. Metallurgisch silicium wordt ook gebruikt als een klein legeringsmiddel in een aantal andere legeringen die zijn ontworpen voor gespecialiseerde toepassingen.hoogsterkte Keramiek

siliciumnitride werd voor het eerst synthetisch geproduceerd in de negentiende eeuw en is in de wetenschap al ongeveer even lang bekend als siliciumcarbide, maar nam niettemin een veel tragere weg naar commerciële exploitatie. Het potentieel van siliciumnitride als vuurvast materiaal werd voor het eerst erkend in de jaren 1950, en in feite werd het materiaal gebruikt als bindmiddel in siliciumcarbide keramiek, een gebruik dat tot op zekere hoogte nog steeds. Echter, zuivere silicium nitride Keramiek bleek uiterst moeilijk te fabriceren, en vroege productiemethoden resulteerde ofwel in materialen met minder-dan-ideale of onbetrouwbare mechanische eigenschappen, of gebruikte productiemethoden die sterk beperkt de soorten onderdelen die kunnen worden geproduceerd. Tegenwoordig kunnen gesinterde keramische componenten van siliciumnitride worden geproduceerd met uitstekende mechanische eigenschappen, maar dit vereist extreem zuivere nanopoeder van siliciumnitride en nauwkeurig gecontroleerde productieomstandigheden, die beide bijdragen aan de hoge kosten van dit materiaal. Deze materialen hebben een uitstekende schokbestendigheid, en zijn gekomen om te worden gebruikt in kleine motoronderdelen. Bovendien kan siliciumnitride worden gebruikt om kogellagers te produceren die corrosieve omgevingen, hoge bedrijfstemperaturen en lage smering kunnen verdragen, terwijl ze beter presteren en minder wegen dan alternatieven.

Sialonen, Keramiek geproduceerd met aluminiumoxide, siliciumnitride en soms zeldzame aardoxiden, werden voor het eerst ontwikkeld als reactie op moeilijkheden bij de productie van gesinterde siliciumnitride keramiek. Er bestaan veel variaties op sialonen, omdat variaties in de beginsamenstellingen en in productietechnieken materialen kunnen produceren met enorm verschillende eigenschappen, die het gevolg zijn van verschillen in kristalstructuur. Sommige van deze variaties behouden veel van de gewenste eigenschappen van siliciumnitride, terwijl ze ook het extra voordeel bieden van eenvoudiger productieprocessen. Andere variaties zijn geformuleerd om extra eigenschappen te bieden, zoals elektrische geleidbaarheid of weerstand tegen schade in specifieke chemische omgevingen. Momenteel worden sialons voornamelijk gebruikt in snijgereedschappen en industriële machineonderdelen die aan extreme omstandigheden worden blootgesteld.

De halfgeleidereigenschappen van siliciumcarbide zijn bekend sinds het begin van de twintigste eeuw, toen het materiaal werd gebruikt in radiodetectors en de eerste LEDs. Echter, deze en verschillende andere toepassingen werden ontwikkeld in de zeer vroege dagen van halfgeleider apparaten, en alternatieve materialen met eigenschappen die meer geschikt zijn voor deze toepassingen zijn sindsdien ontwikkeld, grotendeels verdringen siliciumcarbide uit zijn historische functies. Onderzoek naar de ontwikkeling van siliciumcarbide als halfgeleider heeft zich sindsdien expliciet gericht op het benutten van zijn sterke punten, waaronder zijn vermogen om te presteren bij hoge temperaturen en in sterke elektrische velden. Deze eigenschappen maken theoretisch de productie mogelijk van veel kleinere, snellere, energie-efficiënte en warmte-tolerante elektronische apparaten dan mogelijk is met traditionele op silicium gebaseerde technologieën. Aanvankelijk waren het moeilijk om siliciumcarbidekristallen zonder defecten te produceren, wat de ontwikkeling van geavanceerde siliciumcarbide-elektronica belemmerde, maar functionele siliciumcarbidedioden en transistors zijn nu in de handel verkrijgbaar en de ontwikkeling van deze technologieën is aan de gang.

amorf siliciumnitride, dat kan worden geproduceerd in dunne lagen met behulp van chemische afzetting uit damp, is een belangrijk materiaal in de fabricage van geïntegreerde schakelingen, wanneer het structureel wordt gebruikt als een elektrische isolator of beschermende passiveringslaag, of als een etsmasker in het bewerkingsproces. Bovendien worden gedoteerde siliciumnitriden onderzocht voor gebruik als halfgeleider in apparaten zoals LEDs, en zowel siliciumnitride als sialon kunnen worden gedoteerd om fosforen te produceren.

Silicaglazen

in veel gevallen verwijst glas naar natronkalkglas, een glas op basis van siliciumdioxide dat wordt geproduceerd door kwartszand te smelten samen met natriumcarbonaat, kalk, dolmiet en aluminiumoxide. Dit is het glas dat vaak wordt gebruikt in ruiten en drankcontainers. De meeste andere producten algemeen bekend als glas zijn ook op basis van silica, maar hebben verschillende samenstellingen bedoeld om eigenschappen gunstig voor specifieke toepassingen te produceren. Bijvoorbeeld, borosilicaat glazen, vaak verkocht onder de naam Pyrex, bevatten boriumoxide, zijn opmerkelijk voor hun superieure vermogen om thermische schok te weerstaan, en worden gebruikt voor Laboratorium Glaswerk, huishoudelijke kookgerei, en optische componenten. Aluminosilicaatglas, een andere veel voorkomende variëteit, wordt gebruikt in het composietmateriaal glasvezel, en in breukvast glas gebruikt voor voorruiten van hogesnelheidsvoertuigen en, in toenemende mate, blootgestelde glazen oppervlakken op draagbare elektronische apparaten zoals mobiele telefoons.

als alternatief kan glas worden geproduceerd uit zuiver siliciumdioxide zonder toevoeging van andere verbindingen. Het resulterende materiaal staat bekend als gesmolten kwarts en vergeleken met natronkalkglas is sterker, heeft betere optische eigenschappen en is beter bestand tegen thermische schokken. Het smelt ook bij een veel hogere temperatuur. Deze eigenschap, hoewel vaak wenselijk, maakt het aanzienlijk duurder om te produceren dan andere soorten glas. Het wordt daarom voornamelijk gebruikt voor toepassingen die deze verbeterde eigenschappen vereisen, waaronder de productie van precisie optische componenten zoals hoogwaardige lenzen en optische vezels, fotolithografiemaskers en vuurvaste materialen voor gebruik in laboratorium-en industriële processen op hoge temperatuur.

synthetisch kwarts

kwarts is een natuurlijk piëzo-elektrisch materiaal dat wordt gebruikt in Kristaloscillatoren die worden gebruikt om de tijd in klokken en digitale apparaten te markeren en om de frequentie in radiofrequentieapparaten te standaardiseren. Kwarts voor dit gebruik wordt over het algemeen synthetisch geproduceerd uit kiezelzand, omdat dit precisie-engineering van kristaleigenschappen mogelijk maakt.

Siliconen

siliconen zijn gemengde Organisch-anorganische polymeren die in het algemeen bestaan uit een silicium-zuurstof-backbone verbonden met koolwaterstof-zijgroepen. Het variëren van de aanwezige koolwaterstofgroepen, silicium-zuurstofketenlengtes en de mate van crosslinking kan een breed scala aan materialen produceren, van siliconenoliesmeermiddelen tot harde siliconenharsen, maar hebben allemaal de neiging om een lage thermische geleidbaarheid, chemische reactiviteit en toxiciteit te vertonen. Het brede scala van consistenties mogelijk en het gemak van fabricage, evenals hun polymere structuur, vraagt vergelijking met koolwaterstof gebaseerde kunststoffen, en in huishoudelijke apparaten worden de materialen soms door elkaar gebruikt. De lage toxiciteit en hoge hittestabiliteit van siliconenproducten maken echter een breder scala aan toepassingen in kookgerei en medische hulpmiddelen mogelijk. Siliconen worden bovendien gebruikt voor elektrische en thermische isolatie, lijm, afdichtmiddel, industriële smeermiddelen, chemisch reinigingsmiddel en persoonlijke verzorgingsproducten.

ultrazuiver silicium in elektronica en fotovoltaïek

ondanks het feit dat wafer silicium gebruikt in halfgeleiderelementen slechts een klein deel van het commerciële gebruik van het element uitmaakt, is deze toepassing het meest nauw verbonden met publieke opvattingen over Silicium, aangezien de invloed ervan op het moderne leven diepgaand is geweest. Hoewel noch de eerste geïntegreerde schakelingen (germanium), noch de eerste zonnecellen (selenium) silicium bevatten, is silicium voor het grootste deel van de geschiedenis van beide industrieën het onbetwistbare dominante halfgeleidermateriaal geweest.

voor toepassingen met geïntegreerde schakelingen interfereren zelfs kleine kristaldefecten met kleine circuitpaden, waardoor het gebruik van monokristallijn silicium noodzakelijk is. Dit materiaal wordt geproduceerd met behulp van het Czochralski-kristalgroeiproces, dat een langzame groei vereist van één enorm kristal uit gesmolten silicium met hoge zuiverheid in een zorgvuldig gecontroleerde omgeving. Geïntegreerde schakelingen worden gebouwd met behulp van dunne wafers gesneden uit deze kristallen, evenals de hoogste efficiëntie silicium fotovoltaïsche cellen. Andere halfgeleiderelementen vereisen over het algemeen geen monokristallijn silicium, maar vereisen nog steeds hoge zuiverheid om de elektrische eigenschappen van het materiaal te controleren. Hoge zuiverheid amorf of polykristallijne silicium wordt gevonden in de meeste silicium fotovoltaïsche cellen, en een aantal andere groot gebied halfgeleider apparaten.

Synthetische siliciumoxide

Er zijn vele vormen van synthetisch siliciumoxide, waaronder geprecipiteerd siliciumdioxide, colloïdaal siliciumdioxide, silicagel, gefumeerd siliciumdioxide en siliciumdamp. Hoewel elk product hoofdzakelijk siliciumdioxide is, wordt elk geproduceerd als gevolg van een ander industrieel proces, en ze variëren in deeltjesgrootte. Gewoonlijk worden deze producten gebruikt als milde schuurmiddelen, antiklontermiddelen of verdikkingsmiddelen in voedsel, absorptiemiddelen of als vulmateriaal in kunststoffen, rubbers, siliconen of cement, hoewel precieze eindtoepassingen per vorm verschillen.

silicagel is de vorm van synthetisch siliciumdioxide die het meest bekend is bij consumenten. Deze microporeuze silica parels worden vaak gevonden in kleine papieren pakjes die opgenomen in de verpakking van verschillende producten om overtollig vocht te absorberen. Dezelfde absorptieeigenschappen worden benut voor gebruik in kattenbakvulling. Het kiezelzuurgel wordt ook gebruikt in chemielaboratoria als stationaire fase voor chromatografie of, wanneer gewijzigd met covalent gebonden functionele groepen, als verminderend of chelaatvormende agent.