Krzem (Si) — pierwiastek: właściwości, zastosowania w elektronice i występowanie

Krzem (Si) — właściwości, zastosowania w elektronice i występowanie: poznaj budowę, rolę w półprzewodnikach, obecność w piasku, szkle i krzemianach.

Krzem jest pierwiastkiem 14 w układzie okresowym. Jego symbolem jest Si.

Krzem wygląda jak metal, ale nie robi wszystkiego, co robi metal, np. bardzo łatwo przewodzi prąd. Jest to metaloid. Krzem jest używany w dużej mierze we współczesnych komputerach i praktycznie każdym urządzeniu elektronicznym. German może być również używany w komputerach, ale krzem jest łatwiejszy do znalezienia.

Na Ziemi jest dużo krzemu. Na plaży, krzem występuje w postaci piasku. Piasek jest związkiem krzemu znanym jako dwutlenek krzemu lub krzemionka. Szkło wytwarza się przez ogrzanie piasku (lub dwutlenku krzemu) do odpowiedniej temperatury. Szkło może mieć różne kolory przez dodanie barwnych związków. Krzem tworzy także wiele różnych skał i minerałów, które nazywane są krzemianami.

Właściwości fizyczne i chemiczne

Krzem w stanie czystym to twardy, krystaliczny półprzewodnik o szaroniebieskiej barwie. Najważniejsze parametry fizyczne (przybliżone):

• liczba atomowa: 14
• masa atomowa: ~28,09 u
• gęstość: ~2,33 g/cm³
• temperatura topnienia: ~1414 °C
• temperatura wrzenia: ~3265 °C
• struktura krystaliczna: sieć typu diamond-cubic
• półprzewodnik o przerwie energetycznej (indirect band gap) ~1,12 eV (w 300 K)

Chemicznie krzem jest mniej reaktywny niż metale alkaliczne i nie reaguje z wodą w normalnych warunkach. Tworzy trwałe związki z tlenem (np. SiO2) oraz z innymi atomami w postaci krzemianów. Tworzy wiązania kowalencyjne i zgodnie z pozycją w układzie okresowym zaliczany jest do metali półprzejściowych — metaloidów.

Zastosowania w elektronice

• Monokrystaliczny krzem jest podstawowym materiałem do produkcji układów scalonych, tranzystorów i diod. Właściwości półprzewodnikowe pozwalają kontrolować przewodnictwo przez domieszkowanie (np. domieszki boru, fosforu, arsenu).
• Wytwarza się z niego cienkie krążki — wafery krzemowe — na których buduje się elementy mikroelektroniczne metodami fotolitografii.
• Dwutlenek krzemu (SiO2) pełni rolę izolatora oraz dielektryka w strukturach MOS (metal–oxide–semiconductor), co jest kluczowe dla tranzystorów MOSFET i technologii CMOS używanej w procesorach.
• Krzem jest też głównym materiałem w ogniwach fotowoltaicznych (panele słoneczne), zarówno w postaci monokrystalicznej, jak i polikrystalicznej.
• Rozwój technologii takich jak MEMS (mikroelektromechaniczne układy) oraz czujniki (np. akcelerometry, żyroskopy) także bazuje na krzemie.

Występowanie i surowce

Krzem jest drugim (po tlenie) najobficiej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej — stanowi około 27–29% jej masy. W przyrodzie nie występuje w postaci wolnego pierwiastka, tylko w związkach:

• Krzemionka (SiO2) — np. kwarc (piasek, kryształy).
• Krzemiany — minerały tworzące skały (skalenie, pirokseny, miki, gliny itp.).

Produkcja i oczyszczanie

Główne etapy pozyskania krzemu do zastosowań technologicznych:

• Redukcja siarczanu kwarcowego (SiO2) za pomocą węgla w piecach łukowych daje tzw. krzem metalurgiczny (metallurgical grade silicon) o czystości ~98–99%.
• Dalsze oczyszczanie chemiczne (m.in. proces Siemens’a) prowadzi do otrzymania polikrzemu (polysilicon) o bardzo wysokiej czystości, używanego w elektronice i fotowoltaice.
• Produkcja monokryształów odbywa się metodami takimi jak proces Czochralskiego (Cz) lub metoda float-zone — z otrzymanego ziarna formuje się wafery krzemowe.

Inne zastosowania

• Krzem i jego związki mają szerokie zastosowanie poza elektroniką: produkcja szkła, ceramiki, betonu i materiałów budowlanych.
• Silikony (polimerowe związki krzemu i tlenu, tzw. polisiloksany) stosowane są w uszczelniaczach, smarach, medycynie i kosmetykach.
• Krzem dodaje się do stopów metali (np. stali) w celu poprawy właściwości mechanicznych i odporności na korozję.

Izotopy

Krzem ma kilka stabilnych izotopów: 28Si (~92,2%), 29Si (~4,7%) i 30Si (~3,1%). Izotop 28Si o wysokiej czystości jest wykorzystywany w specjalistycznych badaniach oraz w badaniach nad qubitami w układach kwantowych, ponieważ brak jądrowego spinu obniża dekoherencję.

Bezpieczeństwo i wpływ na zdrowie

Elementarny krzem w postaci stałej i dużych kawałków nie jest toksyczny. Największe zagrożenie stanowią pyły krzemionki krystalicznej (np. pył kwarcowy) — wdychanie może prowadzić do pylicy płuc (silicosis) i zwiększać ryzyko chorób układu oddechowego. W przemyśle stosuje się środki ochrony osobistej oraz systemy wyciągowe i filtrujące.

Recykling i perspektywy

Recykling krzemu z urządzeń elektronicznych i paneli słonecznych staje się coraz ważniejszy z powodu rosnącego zapotrzebowania. Techniki recyklingu są rozwijane, ale odzysk monokrystalicznego krzemu o wysokiej czystości wciąż bywa kosztowny. Technologie związane z miniaturyzacją i rozszerzaniem zastosowań (np. fotowoltaika, elektronika mocy) będą nadal napędzać zapotrzebowanie na wysokiej jakości krzem.

Podsumowując, krzem to kluczowy metaloid o unikalnych właściwościach półprzewodnikowych i chemicznych, który stanowi podstawę nowoczesnej elektroniki, przemysłu szkła i materiałów budowlanych oraz technologii odnawialnych źródeł energii.

Pytania i odpowiedzi

P: Czym jest krzem?

P: Jaka jest liczba atomowa krzemu?

P: Jaki jest symbol krzemu?

P: Czy krzem może dobrze przewodzić prąd?

P: Gdzie krzem jest powszechnie stosowany?

P: Z czego zbudowana jest krzemionka?

P: Co to są krzemiany?

Szukaj według litery