Silicium

Silicium is voor het eerst geïdentificeerd door Antoine Lavoisier in 1787. Later werd het door Humphry Davy aangezien voor een verbinding. Pas in 1811 werd duidelijk dat het tóch om een element ging, toen Louis Gay-Lussac onzuiver amorf silicium verkreeg door siliciumtetrafluoride te verhitten in aanwezigheid van kalium. In 1824 maakte Jöns Jacob Berzelius zuiver silicium door dezelfde methode als Lussac te gebruiken, maar door daarna het product meerdere malen uit te wassen. Z'n naam heeft silicium te danken aan het Latijnse Silex, "vuursteen". In 1854 bereidde Henri Saint-Claire Deville voor het eerst kristallijn silicium, de tweede allotrope vorm waarin silicium voorkomt.

De high-tech regio Silicon Valley in Californië is vernoemd naar silicium, omdat silicium een belangrijke grondstof is voor halfgeleiders.

[bewerk] Toepassingen

Silicium wordt in veel takken van industrie gebruikt. Siliciumdioxide wordt in de vorm van zand of klei gebruikt voor de productie van veel bouwmaterialen. Voor planten en dieren is silicium van essentieel levensbelang voor het opbouwen van celwanden. Andere industrietakken die veelvuldig gebruikmaken van silicium zijn:

keramiek: silicium is de grondstof voor veel keramische materialen
staal: silicium wordt vaak gebruikt als toevoeging aan staal
glas: in de vorm van zand is silicium de basisgrondstof van glas
halfgeleider: in zeer zuivere vorm wordt silicium samen met arseen, boor, gallium en fosfor gebruikt voor de productie van halfgeleiders
laser: silicium kan worden gebruikt voor de productie van lasers met een golflengte van 456 nm
zonnepanelen: de foto-elektrische eigenschappen van silicium maken het geschikt voor fotocellen
röntgendiffractie: preparaathouders in de vorm van silicium éénkristallen

Daarnaast zijn er nog tal van andere toepassingen van silicium in de industrie.

[bewerk] Opmerkelijke eigenschappen

In kristallijne vorm heeft silicium een metallisch uiterlijk en een grijze kleur. Hoewel het een relatief inert element is, reageert het onder bepaalde omstandigheden met halogenen, maar de meeste zuren hebben geen invloed. Elementair silicium laat meer dan 95% van de elektromagnetische straling door in het infrarode golflengtegebied.

[bewerk] Verschijning

Na zuurstof is silicium het meest voorkomende element in de aardkorst. De aardkorst bestaat voor 25,7% uit silicium in zijn verschillende verbindingen. In de elementaire vorm komt silicium niet in de natuur voor. De meest voorkomende verbindingen zijn oxiden zoals zand, amethist, agaat, kwarts en opaal. Andere vormen waarin silicium voorkomt zijn graniet, asbest, klei en mica.

Op commerciële schaal wordt silicium verkregen door verhitting van siliciumdioxide onder aanwezigheid van koolstof. De koolstof reduceert de siliciumdioxide tot silicium volgens de vergelijking:

SiO₂ + C → Si + CO₂

Het op deze wijze verkregen silicium heeft een zuiverheid van ongeveer 99%. Voor gebruik in halfgeleiders is zuiverder silicium nodig. Hiervoor zijn meerdere chemische en fysiche technieken te gebruiken.

[bewerk] Zuivering

Het zuiveren van silicium bestaat uit 3 fasen.

1^e fase

Het silicium uit kwarts wordt met koolstof verhit tot 3000°C. Door een overmaat aan koolstof vormt zich hier CO (koolstofmono-oxide) en blijft er zuiverder silicium over.

2^e fase

Het in de eerste fase gezuiverde silicium wordt eerst omgezet naar trichlorosilaan (SiHCl₃). Daar wordt het gemengd met zoutzuur (HCl). Door destillatie worden verontreinigingen verwijderd. Het trichlorosilaan wordt verhit tot verdamping en bij een goede temperatuurkeuze ontstaat zeer zuiver silicium.

3^e fase (zonesmelten)

In deze laatste fase wordt van een staaf silicium slechts een kleine zone tot boven het smeltpunt verwarmd. Doordat verontreinigingen veel beter in de vloeibare fase oplossen dan in de vaste fase, worden in de vloeibare zone de meeste verontreinigingen verzameld. Die worden naar het einde van de staaf gebracht. Tenslotte wordt dat stukje afgesneden en weggegooid. Het overige stukje is vrijwel 100% zuiver.

[bewerk] Isotopen

Meest stabiele isotopen
Iso	RA (%)	Halveringstijd	VV	VE (MeV)	VP
²⁸Si	92,23	stabiel met 14 neutronen
²⁹Si	4,67	stabiel met 15 neutronen
³⁰Si	3,10	stabiel met 16 neutronen
³¹Si	syn	157,3 m	β	1,492	³¹P
³²Si	syn	172 j	β	13,020	³²P

Van silicium zijn negen verschillende isotopen bekend. ²⁸Si, ²⁹Si en ³⁰Si zijn stabiel. De overige, instabiele isotopen kunnen op kunstmatige wijze worden geproduceerd.