硅及其化合物在信息技术

硅及其化合物在信息技术、材料

科学等领域的作用硅是自然界中分布很广的一种元素，它具有高熔点、高沸点、强硬度的特点。由于它的导电性介于导体和绝缘体之间，因此是良好的半导体材料。硅作为半导体基础原料，无论在过去、现在还是未来的电子与科技发展中，都曾经、正在并且也必将发挥着越来越重要的基础作用，特别是当今IT业的飞速发展，为传统的硅原料的生产与供应提出了更大、更高的要求，这就是高纯和超纯硅原料的生产与供应。硅原料的种类繁多，广泛用于工业当中。硅、水晶、石英原料天然硅料玻璃硅料-天然硅石-玻璃原料-花园硅料-钾钠长石-铸造用沙高纯硅料熔融硅料-精细硅沙-熔融石英块-精细硅微粉-熔融硅微粉-高纯硅沙-纳米级熔融硅微粉-超纯硅沙硅铁金属硅-硅铁粉-非标金属硅-标准硅铁-标准金属硅化学硅料碳化硅-消光粉-天然金刚砂-白碳黑-黑碳化硅-水玻璃-绿碳化硅-一氧化硅粉-棕刚玉-亚白刚玉

合成水晶原料合成云母-合成硅料-合成云母碎-合成水晶粉-合成云母粉-合成云母纸-合成云母带硅的用途十分广泛，这从多样化的硅制品即可看出。硅、石英、水晶制品石英拉管石英拉棒-透明石英管-透明石英棒-乳白石英管-乳白石英棒石英片石英制品-熔融石英片-合成光纤硅料-合成石英片-半导体硅-特种密封圈水晶工艺品-日本Hoya-捷克BCT-捷克Eqermann非金属矿产品高龄土滑石粉重晶石钾钠长石云母粉磷矿石硅是集成电路产业的基础，半导体材料中98%是硅，半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔）、外延片和非晶硅等。其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应用最广。硅合金的用途十分广泛。例如含硅4%（质量分数）的钢具有良好的导磁性，可用来制造变压器铁芯；含硅15%（质量分数）左右的钢具有良好的耐酸性，可用来制造耐酸设备等。

二氧化硅作为硅原料的核心原料在硅原料的生产与供应中起着不可替代的重要基础作用。它所具有的独特的物理、化学特性，使得其在航空、航天、电子、机械以及当今飞速发展的IT产业中占有举足轻重的地位，特别是其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，使得其在许多高科技产品中发挥着越来越重要的作用，如，IT行业的核心技术产品一一计算机芯片，光导纤维，电子产业的谐振器，新型电光源，高绝缘的封接材料，航空航天仪器，军工技术产品，特种光学玻璃，化学分析仪器等等，都离不开这些基础原料。硅及其化合物在传统的硅酸盐工业中的应用由于与我们的生活息息相关，而为人们所熟知，譬如水泥、玻璃、陶瓷等，当然也有一些是新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维等。而如今，随着科技的高速发展，硅及其化合物也越来越多地应用在前沿科学领域。最新硅、石英、水晶原料及技术超纯硅料-超纯硅料-结晶型超纯硅沙-合成超纯硅沙玻璃微珠超细硅料-结晶型硅微粉-熔融型硅微粉纳米技术与硅工业纳米技术是20世纪90年代末兴起的材料科学新技术，对当今原料科学技术的发展、工业产品的升级换代以及人们日常生活的改变都具有广泛、普遍而深远的意义。而如今，硅在纳米技术应用上的作用是不容忽视的，纳米技术的诞生实现了超细硅原料的革命性发展。1、纳米技术在玻璃工业上与硅及其化合物结合的应用主要工艺原理是在玻璃上镀制一层纳米TiO2光催化薄膜，它透明而具有亲水性并有许多独特的功能。目前，主要应用在：“纳米自洁净玻璃NanometerSelf-CleaningGlass”、“纳米自洁净钢化玻璃工业NanometerSelf-CleaningToughedGlass"、“纳米自洁净夹层玻璃工业NanometerSelf-CleaningLaminatedGlass”等工业领域。这种光催化活性玻璃吸收阳光中的紫外线和可见光，逐渐破坏玻璃表面上沉积的油污。亲水性TiO2膜层降低玻璃的表面涨力，雨水面流而下，不留雨点痕迹。由亲水性形成的雨水面流效应和由光催化活性而来的分解油污效应共同形成光催化活性玻璃的自洁净现象。纳米自洁净玻璃另一个诱人的特点是它近乎完美的光学性质。在近紫外和近红外波段具有很低的透过率，而在可见区却有很高的透过率。这正是窗玻璃所应有的理想光谱，可同时作为阳光屏壁玻璃和低辐射玻璃使用。2、纳米技术在建材工业上与硅及其化合物结合的应用主要工艺原理是在材料或产品表面镀一层纳米材料，使它具有了新的特性，从而产生前所未有的功效。目前主要应用的产品有：“纳米活性瓷砖NanometerSelf-CleaningActiveTile”、“纳米涂料NanometerCoatingMaterials"以及“纳米油漆NanometerPaintingIndustry"等工业领域。3、纳米技术在日用品工业上与硅及其化合物结合的应用主要工艺原理是在人们日用品上镀一层纳米材料，从而使得这些产品在保持原有功能不被改变的同时，具有杀毒、除味等功效。目前主要的产品有：“纳米陶瓷自消毒餐具NanometerSelf-DesinfectCeramicTableware”、“纳米活性陶瓷冰箱除味碟NanometerSelf-CleaningActiveCeramicPlate-odorinhibitorinrefrigerator”、“纳米亲水性车用后视镜NanometerSelf-CleaningRearviewMirror”等。与上面这样相对成熟一些的技术相比，硅在我国正处于研究阶段的一些科技领域中的重要作用就显得更为新鲜，更为科学界所瞩目。一、超大规模集成电路用硅单晶材料的制备和缺陷工程的研究人类经历了石器时代，铜器时代和铁器时代，在本世纪的六十年代进入了硅时代。在硅材料基础上微电子工业的崛起，对本世纪世界经济和科技的高速发展起了决定性的作用。在人类跨入21世纪的时候，超大规模集成电路的发展依旧很快，并仍然按照摩尔（Moore）定律发展，目前，国际微电子工业已进入深亚微米时代，主流硅晶片的直径是200毫米，特征线宽是0.18微米，生产着256M的DRAM。微电子已成为国民经济的支柱产业，在国家经济、国防和科技的现代化上起着举足轻重的作用。毫无疑问，硅材料是微电子的基础材料，在过去的四十年，硅材料的发展直接促进了集成电路和整个微电子产业的进步。国际半导体材料专家们共同认为，在本世纪前20－50年，硅材料作为微电子的基础材料是不会改变的。在经济和技术发展的推动下，超大规模集成电路将“更快、更好、更便宜”，技术特征上将出现“硅片直径更大，特征线宽更小”。深亚微米集成电路的超速发展对硅材料的科学研究和技术进步提出了新的挑战，它要求硅单晶材料“大直径、无缺陷”。集成电路和硅单晶材料的大直径化的根本动力在于经济成本，国际市场竞争激烈，虽然从200毫米到300毫米的转变，整个工业界需要花费150-500亿美圆，但直径的增加，可以使每一硅片上的芯片数增加2.5倍，整体成本可以降低20-30%，因此，硅单晶材料的大直径研制和发展是必然的。随着线宽的变小，在早期不成严重问题的微缺陷问题更加突现，如200毫米硅材料中出现的void微缺陷的尺寸在100纳米左右，对集成电路已形成致命的影响。实际上，当单个缺陷的尺寸达到最小特征线宽的二分之一或三分之一时，将导致线路的失效。因此，硅材料的发展，在今后20年中，其技术特征是大直径化，其关键的问题则是：晶体的完整性。这完整性包括三方面，一是晶体生长中体材料的晶格完整，无缺陷。二是晶体加工过程中表面的完整性。三是器件制造过程中，器件有源区的晶格完整性。中国国家硅实验室从50年代初就开始半导体硅材料研究，至今已取得了一系列重要成果。在硅单晶生长技术，探测器级高纯硅单晶，硅单晶中碳、氧的控制，以及硅单晶的电学测量等方面取得过重大成果，并在国际上首创了减压充氮硅单晶生长技术。目前实验室的主要研究方向为8－12英寸超大规模集成电路用硅单晶的制备、加工和缺陷工程。目的是在揭示8-12英寸超（特）大规模硅集成电路（ULSI）用硅材料中轻元素杂质、缺陷性质、相互作用规律，以及它们在热处理工艺中的演变，和对材料电学和力学性能的作用的基础上，利用缺陷工程，减少或消除对超（特）大规模硅集成电路（ULSI）用硅材料的缺陷，提咼和优化材料性能，为超（特）大规模硅集成电路（ULSI）的设计和制备提供理论依据和优质硅材料。二、硅基光子晶体的研究从真空管到超大规模集成电路，人类跨出了巨大的一步、半个世纪以来，电子器件的迅猛发展使其广泛应用于生活和工作的各个领域，它尤其促进了通讯和计算机产业的发展。然而，进一步小型化以及在减小能耗下提咼运作速度，几乎是一种挑战、由于电子器件是基于电子在物质中的运动，在纳米区域内，量子和热的波动使它的运作变得不可靠了，人们感到了电子产业的发展极限。由于光子是以光速运动的粒子，以光子为载体的光子器件有比电子器件咼得多的运行速度，光子在电介质传播每秒可以携带更多的信息，其传输带宽要远大于金属导线，并且光子受到的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高。人们转而把目光投向了光子，提出了用光子作为信息裁体代替电子的设想。类似于电子产业中的半导体材料，光子产业中也存在着一种基础材料——光子晶体(PhotonicCrystals)。光子晶体(PhotonicCrystals)是由具有不同介电常数(折射率)的材料按照某种空间有序排列的周期可与光波长相比的人工微结构。介电函数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式，使光子带隙出现，当光的频率位于光子带隙范围内，它将不能在光子晶体中的任何方向传播。因此，光子晶体也常称为光子带隙材料(PhtonicBandGapMaterials)。光子晶体将成为光电集成、光子集成、光通讯的关键性基础材料，所以光子晶体又成为“光学半导体”。它广阔的应用前景使光子晶体成为当今世界范围的一个研究热点，得到了迅速的发展。硅材料是现代集成电路工业的基础性材料，是人类制备工艺最成熟、研究最深入、了解最清楚的材料之一。硅的折射率较高(在波长为l.lym时n=3.53),满足完全光子带隙的光子晶体的要求，且硅对通信领域所采用的两个波长1.3pm和1.55pm来说是透明的，所以硅材料是制备光子晶体的良好材料。近几年，硅基光电集成取得了一些突破，研究硅基光子晶体，将大大促进硅基光电集成、全光集成技术的发展。目前的研究方向为硅基光子晶体和二氧化硅蛋白石光子晶体的制备和性质，研究采用自组装方法获得的蛋白石胶体晶体为模板，制备硅的反蛋白石结构，理论计算表明三维周期结构只具有赝光子带隙，这种由数百纳米的单分散二氧化硅小球自组装面心密排堆积而成的反蛋白石结构具有完全的光子带隙。三、铸造多晶硅及其它光电转换材料现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。为此各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源。作为最理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特点，而利用太阳能发电具有环保等优点，而且不必考虑其安全性问题。所以太阳能的利用在发达国家得到了高度重视，欧洲联盟国家计划在2010年实现太阳能光电转换的电力占所有总电力的1.5％这一目标，与此同时，美国也启动了“百万屋顶”的计划。在能源短缺，环境保护问题日益严重的我国，低成本高效率地利用太阳能也显得尤为重要。太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。常规太阳电池简单装置如图1所示。当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。当光照在太阳电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给外界负载提供电流。从本世纪70年代中期开始了地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本的转变。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高、稳定性好的特性，但是其成本较高；而非晶硅太阳电池生产效率高、成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池稳定性、转换效率均佳，性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池现在还只是处于研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代了直拉单晶硅而成为最主要的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池。材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷、材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因。因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂、钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。另外，寻找适合铸造多晶硅表面织构化的湿化学腐蚀方法也是目前低成本制备高效率电池的重要工艺。从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是达到大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡研究人员仍需要大量的工作去做。中国国家硅实验室的研究方向主要集中在对太阳能用直拉硅单晶和铸造多晶硅中杂质和缺陷规律的研究，表面绒面的制备和性质，SiNx减反射和钝化膜的制备以及碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe?)等化合物太阳能电池材料的制备。四、一维纳米半导体材料的研究纳米材料特别是纳米半导体材料研究是目前材料学研究的一个热点，被公认为是21世纪最有前途的学科之一。欧盟委员会最近的调查认为纳米技术在10年后有可能成为仅次于计算机芯片制造的第二大制造业，科学家们认为，纳米技术的深远意义可与18世纪的工业革命相媲美。如果说微电子技术推动了信息技术的高度发展，那么纳米光电子技术将在信息时代的下一阶段占据中心地位，并将发挥革命性的作用。而在半导体材料中，半导体硅是一种非常重要的微电子材料，由于它的光电性能已经在微电子器件各个方面有了广泛的应用，对于它的研究也已经广泛而深刻。但是当硅的尺寸到了纳米级以后，由于量子限域效应、尺寸效应等作用，它在光电方面、机械方面表现出与常规硅材料不同的优异性能。因此，一维纳米硅材料以及其它一维纳米半导体材料将在场发射、扫描电镜探头、发光器件、单电子晶体管、可转换电池电极以及MOS器件等领域中发挥重要作用。中国国家硅实验室采用低温气相沉积法、电化学和化学方法研究和制备一维纳米半导体材料。实验室在高温高压条件下或运用阵列化氧化铝模板作为衬底，生长出符合半导体器件要求的阵列化可控纳米硅丝（硅管）以及CdS,ZnO,SiO2等其它一维纳米丝——其长度、直径和生长方向可以简单的调节，同时，研究一维纳米半导体材料的生长机理、Raman位移和PL光谱等性能。对于它们的结晶性能的改善、掺杂、I-V特性、光波导以及P-N结二极管特性方面实验室也进行了一定的研究和探讨。五、硅材料新型高效燃料电池的研制NeahPowerSystems公司声称，该公司成功研制出一种新型燃料电池，由于在这种燃料电池中采用硅材料使其效率明显提高，同时使电池的生产工艺得到简化。新型燃料电池应在2005年上市。现有的燃料电池是由于甲醇与氧气的氧化反应而产生电能，试剂的混合发生在聚合膜片上，甲醇在聚合膜片上被分解，同时形成电子。反