Silizium

Hööftartikel: Isotopen vun Silizium
Iso	VN	t_½	VO	VE (MeV)	VP
²⁸Si	92,23 %	Si is mit 14 Neutronen bestännig.
²⁹Si	4,67 %	Si is mit 15 Neutronen bestännig.
³⁰Si	3,1 %	Si is mit 16 Neutronen bestännig.
³²Si	nee	132 a	β^-	13,020	³²P

Silizium (vun’t lat.: silex – „Kiesel“; de offizielle Schrievwies na de IUPAC is Silicium) is en cheemsch Element ut de Serie vun de Halfmetallen. Silizium steiht in dat Periodensystem in de 3. Period un in de 14. Grupp – dat is de 4. Hööftgrupp. De Atomtall vun Silizium is 14 un dat Atomteken is Si.

Allgemeen

Siliziumpulver

Silizium is en klassisch Halfmetall un wiest dorüm Egenschoppen vun Metallen aver ok vun Nichtmetallen op. Dat reine, elementare Silizium hett en grau-swatt Klöör un en tyypsch metallschen bronzenen bit bläulichen Gleem.

In’n Hannel kann man dat Element as fien Pulver aver ok in gröttere Stückens kriegen. Dat hochreine Silizium, dat för Solarpanelen oder in Halfleiderbodeelen bruukt war, warrt mehrstendeels as dünne Schieven ut Eenkristallen, de so nöömten Silizium-Wafern, produzeert. Silizium is en Elementhalfleider. As blots en poor annere Stoffen (as t. B. Water), wiest ok Silizium en Dichtanomalie op: As Faststoff is sien Dicht lütter as in fletige Form.

Elementar is Silizium för den minschlischen Lief nich giftig. Bunnen in silikatsche Form is dat Element sogor wichtig. En Mangel an Silizium kann dat Wassdom vun de Knaken stören. In’n minschlichen Lief sünd ungefäähr 20 mg Si pro kg Gewicht to finnen. Mit dat Öller nimmt disse Andeel aver af.

Historie

Verwennen in de vörindustriellen Tiet

Cheemsch Verbinnen, de Silizium enthollt, spellt traditschonell en grote Rull in de Historie, t. B. as Bomaterial, as en groten Deel vun de Stenen op de Eer en Andeel Silizium hebbt. Bannig grote Steensetten as Stonehenge warrt en astronomsch oder ok religiöös Bedüden tospraken. Meisters in’n Ümgang mit grote Steenblöck weern t. B. de Ägypters, Aver ok de Bostoff Lehm, ut den Avens un Füersteden un denn ok ganze Hütten mit lehmverkliesterten Twiegwark weer begäng. Lehmtegels – toeerst an de Luft dröögt, later ok brennt - oder Lehmfatten as Kröög, Schötteln oder Bechers weern de eersten Siliziumverbinnen, de wieter verarbeidt worrn sünd.

In’n Orient geev dat Gewölbe-Bowark ut brennte Tegels, de vun de Römers wieterentwickelt weern. Se maken denn de Aquädukten dorut un hebbt later ok en Zement opdeckt, de ünenr Water hart warrt. De Römers hebbt ok den Stratenbo op en Schotterünnerbo utklamüstert. Glasfinster weern opdeckt, de ok in’n Noorden de Hüüs för de Römers bewahnbor maken deen un vun de Inwahners övernahmen weern. Ok in dat Glas is veel Silizium binnen.

Aver ok veel fröher al, weern Silikat-Steen wegen jümmer scharpen Snittkanten as Warktüch bruukt un geven de Steentiet ehrn Naam. Obsidian is as in fröhe Tiet afboot un as Warktüchmaterial hannelt woorn, un weer dordör wiet verbreed. En ok in Düütschland faken funnen Steenoord is t. B. de Flintsteen, de veel to Warktüch torechtmaakt worrn is.

Opdecken

As Element is Silizium wohrschienlich 1787 to’n eersten mol vun Antoine Lavoisier un unafhangig dorvun 1800 vun Humphry Davy herstellt, verkehrterwies aver as en Verbinnen ansehn worrn. 1811 hebbt de Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac un de Baron Louis Jacques Thénard unreinet amorph Silizium herstellt. Dorför hebbt se Siliziumtetrafluorid mit elementar Kalium ümsett. Wat ähnlich’s möök Jöns Jakob Berzelius 1824 in Sweden, de mit Kalium en Hexafluorosilikat ümsetten dee. Berzelius hett dat amorphe Silizium dör Waschen reinigt un hett as eerster rutfunnen, dat Silizium en Element is. He hett em ok den Naam geven, de vun dat latiensch Woort silex kummt. Dat bedüd översett Kieselsteen oder Flintsteen un schüll to’n Utdruck bringen, dat Silizium Bestanddeel vun bannig veel Mineralen un na den Suerstoff aver noch vör dat Aluminium dat tweetfakenste Element in de Eerdkrust is. Man dat gifft ok Bornen, de den Begreep Silicium op Antoine Lavoisier torüchföhrt.

De engelsche Begreep silicon schall 1813 vun den Engländer Thomas Thomson vörslaan worrn wesen. De Ennen -on schall dorbi op da cheemsch ähnliche Verhollen as bi’n Kohlenstoff henwiesen. De eerste Herstellen vun reinen kristallinen Silizium weer eerst 1854 schapt dör den franzööschen Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville, de dorvör en Elektrolys anwennt harr.

Verwennen in hütige Tiet

Ok vundaag noch warrt Silizium-Verbinnen as Bomaterialen insett, as t. B. Glas, Zement oder Beton. De Herstellen hett sik in’t 19. Johrhunnert as Grootindustrie entwickelt. 1947 hebbt John Bardeen, Walter Brattain un William Shockley den regelboren elektrischen Wedderstand opdeckt, toeerst an en Germaniumkristall. Dat hett’n Tiet duurt, bit dat gau reageerende Silizium in de nödigen Reinheit maakt warrn kunn, üm de notwennigen Egenschoppen vun Halfleiders to hebben. Unafhangig vunenanner hebbt 1956 Robert Noyce bi Fairchild un Jack S. Kilby bi Texas Instruments de integrierte Schalten op en Siliziumchip entwickelt. 1970 warrt dorut bi Intel de Vörstoop to’n Mikroprozesser entwickelt. Silizium is bito ok en wichtig Bestanddeel vun Bodeelen in de Photovoltaik.

Vörkamen

In de unbelevten Natur

Bargkristall ut SiO₂.

De Eer besteiht to ca. 15% Silizium. Vör allem de Eerdmantel is ut en’n groten Andeel Silikatsteen tohopensett. De Eerdkrust hett en Andeel vun ungefäähr 25,8% Silizium, woneem dat Element dat tweetfakenste is, glieks na den Suerstoff. Hier kummt Silizium vör allen as silikatsche Mineralen oder as reinet Siliziumdioxid (SiO₂), worut t. B. Quarz oder ok Sand besteiht.

En ganze Reeg Halfeddelsteen un Schmucksteen sünd ut SiO₂, de mehr oder weniger Bimischen vun annere Stoffen enthollt. Dorto höört Bargkristall, Amethyst, Rookquarz, Achat, Opal un veele annere. Silizium bildt tohopen mit veele annere Metallen Silikaten. Eenige Bispelen för Silikatsteen sünd Glimmer, Toon, Feldspat oder Asbest. Aver ok de Ozeanen bargt jümmern Deel Silizium, dat in de See in grote Mengde as monomere Kieselsüür löst is.

In de belevten Natur

För Levwesen is Silizium en wichtig Element. Eenige Deerten tügt sogor Strukturen, de ut SiO₂-hollig Material bestaht. Begäng sünd t. B. de Kieselalgen (Diotomeen), de sik en Butenskelett ut Siliziumdioxid boot, dat se dör en Enzym ut Orthokieselsüür Si(OH)₄ kondenseert. Aver ok veele Planten boot Siliziumdioxid in jümmer Blööd oder Stängels in. Dorto höört ü.a. de Schachtelhalm un de Bambusplant. De SiO₂-Stellaasch verbetert den Holl. In dat Deerriek bildt ok veele Schwämm un Radiolarien Butenskelette ut Siliziumdioxid.

Winnen

In’n Labor

In’n lütten Rahmen kann elementar Silizium dör Redukschoon mit uneddel Metallen wunnen warrn. Utgangsstoffen sünd dorbi Siliziumdioxid oder Siliciumtetrafluorid. Bi de tweete Reakschoon is en aluminothermsch Verfohren, dat man blots ünner Tosatz vun elementaren Swevel funkschooneert. De drütte Reakschoon is de Weg, op den dat Elemement opdeckt weer.

1.)\ \mathrm {SiO_{2}+2\ Mg\longrightarrow Si+2\ MgO}

2.)\ \mathrm {3\ SiO_{2}+4\ Al\longrightarrow 3\ Si+2\ Al_{2}O_{3}}

3.)\ \mathrm {3\ SiF_{4}+4\ Al\longrightarrow 3\ Si+4\ AlF_{3}}

Dat gau reageerend amorphe Silizium kann dör Redukschoon mit Natrium oder Acidolyse vun Siliziden wunnen warrn:

1.)\ \mathrm {SiCl_{4}+4\ Na\longrightarrow Si+4\ NaCl}

2.)\ \mathrm {3\ CaSi_{2}+6\ HCl\longrightarrow 6\ Si+3\ CaCl_{2}+3\ H_{2}}

In de Industrie

Elementar Silizium gifft dat in verscheeden Reinheitsstopen, de ünnerscheedlich Verwennen findt in de Metallurgie, de Photovoltai (Solarzellen) un in de Mikroelektronik (Halfleider, Reeknerchips). In de Weertschap warrt dat Silizium dorüm na Reinheit klassifizeert na Si_mg (metallurgic grade, Rohsilizium mit 98-99% Reinheit), Si_sg (solar grade, Solarsilizium mit 99,99% Reinheit) un Si_eg (electronic grade, Halfleidersilizium mit Verunreinigen < 1 ppb).

Rohsilizium

In’n industriellen Rahmen warrt elementaret Silizium dör Redukschoon vun Siliziumdioxid mit Kohlenstoff in’n Lichtbagenaven bi Temperaturen üm un bi 2000 °C wunnen:

\mathrm {SiO_{2}+2\ C\longrightarrow Si+2\ CO}

Vun dit industriell Rohsilizium (Si_mg) sünd in’t Johr 2002 4,1 Mio Tünnen herstellt woorn. För’n metallurgsch Sinn reckt de Reinheit ut. Dor warrt dat as Bestanddeel vun Legeeren för Wittblick un Stahl (to’n Verbetern vun de Bestännigkeit gegen Rust) oder as Utgangsstoff för de Silanherstellen över dat Müller-Rochow-Verfohren bruukt. De Silanen warrt later denn för de Herstellen vun Silikonen bruukt. För de Stahlindustrie warrt dat Ferrosilizium sinnigerwies in’n Biwesen vun elementaren Iesen dörföhrt:

\mathrm {SiO_{2}+2\ C+Fe\longrightarrow FeSi+2\ CO}

Solarsilizium

Polykristallin Solarsilizium

För’d Verwennen in photovoltaaschen Anlagen mutt dat Silizium en gröttere Reinheit hebben. De Renigen vun’t Rohsilizium warrt dat Siemens-Verfohren anwennt, wobi dat Silizium toeerst mit gasförmig Chlorwaterstoff bi 300–350 °C in en Küselschichtreakter to Trichlorsilan (Silicochloroform) ümsett warrt.

\mathrm {Si+3\ HCl\longrightarrow H_{2}+HSiCl_{3}}

Dorna sünd opwännig Destillatschoonschreed nötig, bevör dat Trichlorilan denn mit Waterstoff in de Ümkehr vun de Reaktschoon baven an hittmakte Reinstsiliziumstääv bi 1000–1200 °C thermsch wedder tweimaakt warrt. Dat elementar Silizium wasst sotoseggen op de Stääv. De Chlorwaterstoff, de dorbi freewarrt, geiht wedder torüch in den Kreisloop. As Nevenprodukt kummt dorbi Siliciumtetrachlorid tostannen, de to Trichlorsilan ümsett un in den Prozess torüchföhrt warrn kann oder to Kieselsüür verbrennt warrt.

En annere Oort ahn Chlor is dat Tweimaken vun Monosilan, dat ok ut de Elementen wunnen warrn kann un na en Reinigen an hittmakte Bavenflachen oder bi’t Dörleiden dör en Küselschichtreakter wedder verfallt:

\mathrm {SiH_{4}\longrightarrow 2\ H_{2}+Si}

Dat polykristalline Silizium (Polysilicium), dat op dissen Weg maakt warrt, is för de Herstellen vun Solarbodeelen bruukbor un hett en Reinhet vun 99,99%. In de Solartechnik warrt – as ok bi de Mikroelektronik – de halfleidend egenschoppen vun’t Silizium utnütt.

Halfleidersilizium

Halfleidersilizium as Eenkristall

För Anwennen in de Mikroelektronik is hoochrein monokristallinet Silizium (Si_eg) nödig. Vör allem dröft dor keen Verunreinigen binnen wesen vun Elementen, de för’t Doteeren nödig sünd. Dorto warrt dat Tegeltehn oder dat Zonensmölten anwennt. Bi dat Tegeltehn (Czochralski-Verfohren warrt dat in’t Siemens-Verfohren wunnene Solarsilizium in Quarztegeln opsmölt. En Empkristall ut hoochreinen monokristallinen Silizium warrt in de Smölt brocht un ünner langsom Dreihen wedder ruttogen. Dorbi entsteiht hochrein’t Silizium, dat in monokristalline Form op dem Kristall verklamt. De Verunreinigen blievt op disse Oort in de Smölt torüch. De physikaalsch Achtergrund is de Smöltpunktdalsetten un de Neegen vun Stofefn, so rein as möglich to kristalliseeren.

Bi’t Zonensmölten warrt mit en ringförmig elektrisch Indukschoonsheizen en opsmölt Rebeet dör en Siliziumstaff föhrt, wobei de gröttste Deel an Verunreinigen sik in de Smölt löst un mit dat Rebeet wannert.

Dat hoochreine monokristalline Silizium is dat Grundmaterial för de Mikroelektronik slechthin. All begäng Reeknerchips, Spieker, Transisters usw. sünd ut so’n Silizium as Utgangsmaterial. Dat baseert op den Ümstand, dat Silizium en Halfleider is. Dör dat telte Inlagern vun frömde Atomen (Doteeren) as t. B. Indium, Antimon, Arsen, Bor oder Phosphor künnt de elektrischen Egenschoppen vun Silizium in en wietet Rebeet ännert warrn. Dordör laat sik ünnerscheedlich Schalten tostannen bringen. Vun wegen de tonehmend Bedüden vun elektronische Schalten snackt man vundaag ok vun’t Silizium-Tietöller. Ok de Beteken Silicon Valley (Silizium-Daal) för de Hightech-Gegend in Kalifornien wiest op de düchtig grote Bedüden vun’t Silizium för de hüütige Weertschap un Technik hen.

Amorph Silizium kann mit Hülp vun Excimerlasern in polykristallin Silizium ümwannelt warrn. För’t Herstellen vun Dünnfilmtransistern (thin film transistor, TFT) för Flachkiekers is dat vun tonehmend Bedüden.

Egenschoppen

Halfleideregenschoppen

As de Navers in’t Periodensystem Germanium, Gallium, Phosphor un Antimon is ok Silizium en Elementhalfleider. De energetsche Afstand twüschen Valenzband un Leddband na dat Bännermodel liggt bi 1,107 eV (bi Ruumtemperatur). Dör dat Doteeren mit en bruukbor Doteerelement as Bor oder Arsen kann de Leddanlaag üm den Fakter 10⁶ grötter maakt warrn. In so en doteerten Silizium is de elektrisch Leiden an de Störsteed, de dör dat Frömdatom un den Gidderdefekt veroorsaakt is, veel grötter as de egen Leiden vun dat Element. Man snackt bi doteertet Material dorüm ok vun Störstedenhalfleider.

Explosion

Hydreert, also an de Bavenflach mit Waterstoff afdeckt’, poröös Silizium kann ünner Laserinstrahlen un Togaav vun Suerstoff düchtig explodeeren. Dat hebbt Forschers vun de Technische Universität München tofällig rutfunnen. Dormit sünd Sprengen in’n Mikrometerrebeet möglich. De Snelligkeit vun de Explosion un ok de Explosionsenergie sünd höger as bi TNT oder Dynamit. Of disse Egenoort in Tokunft technisch utnütt warrt un villicht sogor an de Steed vun’t Dynamit kummt, is aver noch en annere Fraag. Üm dat poröse Silizium nämlich för de Reaktschoon torecht to maken, sünd Temepraturen vun ünner -180 °C nödig.

Fletigen Suerstoff vergröttert den Effekt noch, as dordör en betere Versorgen vun de hydreerte Bavenflach mit den Suerstoff schapt warrt, wat dat vullstännig Verbrennen vun den Waterstoff un dat Silizium noch ünnerstütten deit. Insetten künnen man dat t. B. in’n Weltruum, wo dat so deepe Temperaturen jo sowieso gifft. Dör de hoge Nauigkeit künnen dormit t. B. Satelliten vun’t Mudderschipp aftrennt warrn. En möglich Insetten in de Automobilindustrie künn man sik ok vörstellen, üm en sneller Tünnern vun Airbags möglich to maken.

cheemsch Verhollen

In all Verbinnen, de in de Natur vörkommt, un ok in de mehrsten künstlichen Verbinnen, geiht Silizium blots eenfache Binnen in. De Bestännigkeit vun’d Si-O-Eenfachbinnen in’n Gegensatz to de C-O-Dubbelbinnen geiht torüch op ehr partiell Dubbelbinnen-Charakter, de dör Överlappen vun de fre’en Elektronenpooren vun’n Suerstoff mit de leddigen d-Orbitalen vun’n Silizium tostannen kommt. Lange Johren weer de Dubbelbinnenregel as gellend ansehn, wona Silizium as element vun de 3. Period keen Mehrfachbinnen ingeiht. Dat is vundaag nich mehr ganz richtig, wiel in de Twüschentiet al en ganze Reeg vun künstliche Verbinnen mit Si-Si-Dubbelbinnen maakt worrn sünd. 2004 is sogor de eerste Verbinnen mit en formal Si-Si-Dreefachbinnen charakteriseert worrn.

In cheemsch Verbinnen liggt Silizium tomeist veerweertig vör, man künstlich sünd ok al Verbinnen mit tweewertig Silizium maakt woorn (Silylene). Dorna is dat Silizium-Atom in Verbinnen normalerwies veerfach koordineert. Bito gifft dat aver en Reeg vun Verbinnen, worin Silizium en fieffache oder sogor sössfache Koordinatschoon opwiest.

In’n Normalfall is Silizium in en Verbinnen de elektropositive Partner, ofschoonst dat ok Verbinnen mit formal elektronegativ Silizium gifft. Dat sünd tomeist Siliziden. Sünners is de ümdreihte Binnenpolarität bi Waterstoffbinnen bi’n Övergang vun Kohlenstoff to Silizium. De Elektronegativitätsünnerscheed ännert sik dor vun +0,45 to -0,2. Dorüm künnt Si-H-Verbinnen en ganz anneret Reakschoonsverhollen opwiesen as C-H-Verbinnen. Bito bildt Silizium in de Siliciden aver ok richtige Anionen ut.

De Chemie vun’t Silizium is in’n Wesentlichen prägt dör den Betog to’n Suerstoff. De wichtigsten Silizium-Verbinnen künnt in de folgend Klassen indeelt warrn:

Binäär Verbinnen

Silikaten

Zirkon un all annere Silikaten un Verbinnen vun de Kieselsüür.

Siliziumhalogeniden

Siliziumwaterstoffen

Orgaansch Siliziumverbinnen

Tetramethylsilan (TMS, NMR-Standard)
Methylchlorsilane (Bosteen för Silikone)
Phenylchlorsilan
Carbosilanen
Carbosilazanen
Carbosiloxanen

Polymer Siliziumverbinnen

Warrt SiO₄-Tetraeder dör orgaansch Resten modifizeert un polymeriseert, denn warrt dorut de Silikone, de to de wichtigsten industriellen Kunststoffen tellt. Disse polymeren Silizium-Suerstoff-Verbinnen warrt in veele Rebeten bruukt, as t. B. as Smeermiddel oder Material to’n Afdichten in de Boindustrie.