Silicon är verkligen allestädes närvarande, men finns nästan aldrig som det fria elementet i naturen. Istället förekommer det mest som kiseldioxid, mer allmänt känd som sand eller kvarts, eller i silikatmineraler, vanligtvis i de som finns i form av lera eller sten. Det föreslogs först att kiselsand sannolikt var oxiden av ett tidigare okänt element av Antoine Lavoisier 1787. År 1808 kallade Sir Humphry Davy detta hypotetiska element ”silicium”, som kombinerar Latin silex, vilket betyder sten, med det traditionella ium-slutet som ofta ges till metalliska element. Namnet ändrades till kisel 1817, eftersom-on-slutet föreslog sin närmare relation till de icke-metalliska elementen bor och kol, men det var först 1823 som den svenska kemisten Jons Jacob Berzelius äntligen lyckades förbereda rent amorft kisel och som den första att göra det fick kredit för att ”upptäcka” elementet.

den stora majoriteten av kisel som används kommersiellt separeras aldrig ur de material där det förekommer naturligt, vilket ofta behandlas ganska minimalt före användning. Silikat leror används för att producera vitvaror keramik som porslin och vid tillverkning av keramiska tegelstenar och cement som används som byggmaterial. Silikatinnehållande sten som granit används direkt i strukturella och dekorativa applikationer, och kiselsand blandad med grus och cement producerar betong. Sand används också i stor utsträckning som slipmedel och som fyllmedel i plast, gummi och färger. Dessutom har kiselgur, en form av kiselsten som består av fossiliserade rester av kiselalger, många direkta kommersiella tillämpningar, särskilt som ett absorberande, ett filtreringsmedium, ett milt slipmedel och ett naturligt bekämpningsmedel.

mer raffinerade kiselprodukter står för en mycket mindre del av kommersiell kiselanvändning, men är ändå extremt viktiga ekonomiskt. Vanlig kiselsand är utgångspunkten för produktion av en mängd raffinerade kiseldioxidprodukter, andra kiselföreningar, kiselhaltiga legeringar och elementärt kisel på olika renhetsnivåer, som alla spelar viktiga roller i industrin. Följande punkter ger en översikt över de viktigaste kategorierna av slutanvändning av kisel, men utgör inte en uttömmande förteckning.

kisel i legeringar

kisel används ofta som legeringselement. Kiselsand reduceras med kol i närvaro av järn för att producera ferrosilikon, som sedan kan användas i kiselhaltiga stål. I smält järn hjälper kisel till att bibehålla kolhalten inom smala gränser som krävs för en given stålkvalitet. Används i större mängder, som i elektriskt stål, påverkar kisel positivt materialets resistivitet och ferromagnetiska egenskaper.

för användning i icke-järnlegeringar produceras kisel av metallurgisk kvalitet genom att reagera kiseldioxid med hög renhet med kol i en elektrisk ljusbågsugn. De vanligaste icke-järnhaltiga kisellegeringarna är aluminium-kisellegeringar. De lämpliga proportionerna av aluminium och kisel producerar ett material som uppvisar mycket liten termisk sammandragning under stelning, vilket gör den idealisk för gjutningsapplikationer. Metallurgisk kisel används också som ett mindre legeringsmedel i ett antal andra legeringar avsedda för specialiserade applikationer.

höghållfast keramik

först framställd syntetiskt under nittonde århundradet har kiselnitrid varit känt för vetenskapen i ungefär lika länge som kiselkarbid, men tog ändå en mycket långsammare väg till kommersiellt utnyttjande. Potentialen för kiselnitrid som eldfast material erkändes först på 1950-talet, och i själva verket kom materialet att användas som bindemedel i kiselkarbidkeramik, en användning som fortsätter till viss del idag. Ren kiselnitridkeramik visade sig emellertid vara extremt svår att tillverka, och tidiga produktionsmetoder resulterade antingen i material med mindre än idealiska eller opålitliga mekaniska egenskaper eller använde produktionsmetoder som allvarligt begränsade de typer av delar som kunde produceras. Idag kan sintrade kiselnitrid keramiska komponenter produceras med utmärkta mekaniska egenskaper, men detta kräver extremt rent kiselnitridnanopulver och exakt kontrollerade tillverkningsförhållanden, som båda bidrar till den höga kostnaden för detta material. Dessa material har utmärkt Stöttålighet, och har kommit att användas i små motorkomponenter. Dessutom kan kiselnitrid användas för att producera kullager som tål korrosiva miljöer, höga driftstemperaturer och låg smörjning samtidigt som de presterar bättre och väger mindre än alternativ.

Sialoner, keramik framställd med aluminiumoxid, kiselnitrid och ibland sällsynta jordartsmetaller, utvecklades först som svar på svårigheter att producera sintrad kiselnitridkeramik. Många variationer på sialoner finns, eftersom variationer i startkompositioner såväl som i produktionstekniker kan producera material med väldigt olika egenskaper, vilket beror på skillnader i kristallstruktur. Några av dessa variationer behåller många av de önskvärda egenskaperna hos kiselnitrid samtidigt som de ger den extra fördelen med enklare produktionsprocesser. Andra variationer är formulerade för att ge ytterligare egenskaper, såsom elektrisk ledningsförmåga eller motståndskraft mot skador i specifika kemiska miljöer. För närvarande används sialoner främst i skärverktyg och industriella maskinkomponenter som utsätts för extrema förhållanden.

halvledaregenskaperna hos kiselkarbid har varit kända sedan början av tjugonde århundradet, då materialet hittades i radiodetektorer och de första lysdioderna. Dessa och flera andra användningsområden utvecklades emellertid under de mycket tidiga dagarna av halvledaranordningar, och alternativa material med egenskaper som är mer lämpade för dessa applikationer har sedan dess utvecklats, vilket i stor utsträckning förskjuter kiselkarbid från dess historiska funktioner. Forskning som utvecklar kiselkarbid som halvledare har sedan dess uttryckligen fokuserat på att utnyttja dess styrkor, vilket inkluderar dess förmåga att utföra vid höga temperaturer och i starka elektriska fält. Dessa egenskaper möjliggör teoretiskt produktion av mycket mindre, snabbare, mer energieffektiva och mer värmetoleranta elektroniska enheter än vad som är möjligt med traditionell kiselbaserad teknik. Initialt svårigheter att producera kiselkarbidkristaller utan defekter hämmade utvecklingen av sofistikerad kiselkarbidelektronik, men funktionella kiselkarbiddioder och transistorer är nu kommersiellt tillgängliga, och utvecklingen av dessa tekniker pågår.

amorf kiselnitrid, som kan framställas i tunna skikt med användning av kemisk ångavsättning, är ett viktigt material vid tillverkning av integrerade kretsar, där det används som strukturellt som en elektrisk isolator eller skyddande passiveringsskikt eller som en etsmask i bearbetningsprocessen. Dessutom undersöks dopade kiselnitrider för användning som halvledare i anordningar såsom lysdioder, och både kiselnitrid och sialon kan dopas för att producera fosfor.

Kiseldioxidglas

i vanligt bruk hänvisar glas till soda-kalkglas, ett kiseldioxidbaserat glas framställt genom smältning av kvartssand tillsammans med natriumkarbonat, kalk, dolmit och aluminiumoxid. Detta är det glas som vanligtvis används i fönsterrutor och dryckesbehållare. De flesta andra produkter som allmänt kallas glas är också kiseldioxidbaserade, men har olika kompositioner avsedda att producera egenskaper som är gynnsamma för specifika användningsområden. Till exempel innehåller borosilikatglas, som ofta säljs under namnet Pyrex, boroxid, är anmärkningsvärda för sin överlägsna förmåga att motstå termisk chock och används för laboratorieglas, hushållsartiklar och optiska komponenter. Aluminosilikatglas, en annan vanlig sort, används i kompositmaterialet glasfiber och i splittringsbeständigt glas som används för vindrutor av höghastighetsfordon och alltmer exponerade glasytor på bärbara elektroniska enheter som mobiltelefoner.

alternativt kan glas framställas av ren kiseldioxid utan några andra föreningar tillsatta. Det resulterande materialet är känt som smält kvarts, och jämfört med soda kalk glas är starkare, har bättre optiska egenskaper, och bättre motstår termisk chock. Det smälter också vid en mycket högre temperatur. Denna egenskap, men ofta önskvärt, gör det betydligt dyrare att producera än andra typer av glas. Det används därför främst för applikationer som kräver dessa förbättrade egenskaper, som inkluderar produktion av precisionsoptiska komponenter såsom högkvalitativa linser och optiska fibrer, fotolitografimasker och eldfasta material för användning i högtemperaturlaboratorier och industriella processer.

syntetisk kvarts

kvarts är ett naturligt piezoelektriskt material som finner användning i kristalloscillatorer som används för att markera tid i klockor och digitala enheter och att standardisera frekvensen i radiofrekvensenheter. Kvarts för denna användning produceras i allmänhet syntetiskt från kiselsand, eftersom detta möjliggör precisionsteknik av kristallegenskaper.

silikoner

silikoner är blandade organiska-oorganiska polymerer som i allmänhet består av en kisel-syre-ryggrad ansluten till kolvätegrupper. Varierande kolvätegrupper närvarande, kisel-syre kedjelängder, och graden av tvärbindning kan producera ett brett spektrum av material, från silikonolja smörjmedel till hårda silikonhartser, men alla tenderar att uppvisa låg värmeledningsförmåga, kemisk reaktivitet, och toxicitet. Det breda utbudet av konsistenser som är möjliga och enkla att tillverka, liksom deras polymera struktur, uppmanar jämförelse med kolvätebaserad plast, och i hushållsapparater används materialen ibland omväxlande. Den låga toxiciteten och den höga värmestabiliteten hos silikonprodukter möjliggör emellertid ett bredare användningsområde i köksredskap och medicintekniska produkter. Silikoner används dessutom för elektrisk och värmeisolering, lim, tätningsmedel, industriella smörjmedel, kemtvättlösningsmedel och personligvårdsprodukter.

Ultrahög renhet kisel i elektronik och fotovoltaik

trots det faktum att waferkisel som används i halvledaranordningar står för endast en liten del av den kommersiella användningen av elementet, är denna enda applikation den mest intimt knutna till offentliga uppfattningar om kisel, eftersom dess inflytande på det moderna livet har varit djupt. Även om varken de första integrerade kretsarna (germanium) eller de första solcellerna (selen) innehöll kisel, har kisel med hög renhet för det mesta varit det otvivelaktigt dominerande halvledarmaterialet.

för integrerade kretsapplikationer stör även små kristalldefekter små kretsvägar, vilket kräver användning av monokristallint kisel. Detta material produceras med Czochralski kristalltillväxtprocessen, vilket kräver långsam tillväxt av en enda enorm kristall från smält kisel med hög renhet i en noggrant kontrollerad miljö. Integrerade kretsar är byggda med tunna skivor skurna från dessa kristaller, liksom de högsta effektiviteten kisel fotovoltaiska cellerna. Andra halvledaranordningar kräver i allmänhet inte monokristallint kisel, men kräver fortfarande hög renhet för att kontrollera materialets elektriska egenskaper. Amorft eller polykristallint kisel med hög renhet finns i de flesta kiselfotovoltaiska celler och några andra halvledaranordningar med stort område.

syntetiska kiseldioxidprodukter

det finns många former av syntetisk kiseloxid, inklusive utfälld kiseldioxid, kolloidal kiseldioxid, silikagel, rökad kiseldioxid och kiseldioxidrök. Även om varje produkt huvudsakligen är kiseldioxid, produceras var och en som ett resultat av en annan industriell process, och de varierar i partikelstorlek. Vanligtvis används dessa produkter som milda slipmedel, klumpförebyggande eller förtjockningsmedel i livsmedel, absorberande medel eller som fyllnadsmaterial i plast, gummi, silikoner eller cement, även om exakta slutanvändningar varierar beroende på form.

silikagel är den form av syntetisk kiseldioxid som är mest känd för konsumenterna. Dessa mikroporösa kiseldioxidpärlor finns vanligtvis i små papperspaket som ingår i förpackning av olika produkter för att absorbera överskott av fukt. Samma absorptionsegenskaper utnyttjas för användning i kattskräp. Silikagel används också i kemilaboratorier som en stationär fas för kromatografi eller, när den modifieras med kovalent bundna funktionella grupper, som ett reducerande eller kelaterande medel.