Кремний (Si): универсальный материал современной техники

Кремний — химический элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14. Это второй по распространённости элемент в земной коре (27,6% по массе), играющий ключевую роль в современной электронике, солнечной энергетике и многих других высокотехнологичных отраслях.

Основные физические свойства:

Оптические свойства

Спектр пропускания (T) полированного окна из кремния зонной плавки (FZ) толщиной 5 мм в диапазонe (2.5 – 25) мкм; p-проводимость, удельное эл. сопротивление (2.5 – 4.3) кОм*см

Химические свойства

Спектр пропускания (T) полированного окна из кремния (Cz) толщиной 6.8 мм в диапазонe (2.5 – 25) мкм

Показатели преломления

Кристаллические модификации

Кремний существует в нескольких аллотропных формах:

1. Кристаллический (монокристаллический и поликристаллический)
2. Аморфный
3. Наноструктурированный (квантовые точки, нанопроволоки)

Промышленное производство:

• Восстановление SiO₂ в дуговых печах (технический кремний)
• Очистка методом Сименса (полупроводниковый кремний)
• Зонная плавка (для особо чистых монокристаллов)

Выращивание монокристаллов:

• Метод Чохральского (основной промышленный метод)
• Бестигельная зонная плавка
• Эпитаксиальное наращивание

Классификация по чистоте:

1. Технический кремний (98-99%)
2. Солнечный кремний (6N — 99,9999%)
3. Электронный кремний (9N-11N — 99,9999999-99,999999999%)

 Электронная промышленность:

• Производство интегральных схем
• Транзисторы и диоды
• Микропроцессоры и чипы памяти
• Датчики и сенсоры

Фотовольтаика:

• Солнечные элементы (монокристаллические, поликристаллические, аморфные)
• Фотоэлектрические станции
• Портативные зарядные устройства

Оптическая техника:

• Инфракрасная оптика
• Окна для лазерных систем
• Оптические волокна

Химическая промышленность:

• Производство силиконов
• Катализаторы
• Абразивные материалы

Пористый кремний:

• Нанопористая структура
• Применение в сенсорах и медицине
• Люминесцентные свойства

Кремний на изоляторе (SOI):

• Специальная структура для микроэлектроники
• Снижение паразитных токов
• Повышение быстродействия

Кремниевые наноматериалы:

• Квантовые точки
• Нанопроволоки
• Наносферы

Технологии обработки:

• Механическая обработка (резка, шлифовка, полировка)
• Химическое травление
• Плазменная обработка
• Лазерная резка

Мировой рынок кремния:

• Объём производства: ~8 млн тонн в год
• Основные производители: Китай (70%), Россия, США, Германия
• Ценовой диапазон: от $2/кг (технический) до $300/кг (электронный)

Перспективные направления:

• Кремниевая фотоника
• Гибкие электронные устройства
• Биомедицинские применения
• Квантовые вычисления

Экологические аспекты:

• Переработка солнечных панелей
• Утилизация электронных компонентов
• Альтернативные методы производства

Заключение

Кремний остаётся фундаментальным материалом современной цивилизации. Его уникальные свойства и постоянное совершенствование технологий обработки открывают новые возможности для применения в различных отраслях промышленности. Развитие кремниевых технологий продолжает определять прогресс в электронике, энергетике и других высокотехнологичных сферах.