高中化学时单质硅与半导体材料　二氧化硅与光导纤维课件鲁科版必修1

2024-02-02高中化学时单质硅与半导体材料二氧化硅与光导纤维课件鲁科版必修1目录硅元素及其单质半导体材料基础概念二氧化硅结构与性质探究光导纤维原理及应用领域实验室制备二氧化硅和光导纤维硅材料在环境保护中作用01硅元素及其单质硅是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧，主要以硅酸盐或二氧化硅的形式存在于岩石、沙子和土壤中。硅的化合物是构成岩石和矿物的主要成分，如石英、长石、云母等。硅元素在自然界中存在形式硅的化合物硅元素在地壳中含量晶体硅结构晶体硅具有金刚石型结构，每个硅原子与周围四个硅原子通过共价键相连，形成空间网状结构。这种结构使得晶体硅具有高熔点、高硬度等特性。非晶体硅结构非晶体硅没有固定的晶体结构，原子间的排列无序。因此，非晶体硅的物理性质与晶体硅有很大差异，如硬度较低、熔点不固定等。晶体硅与非晶体硅结构差异单质硅是一种灰黑色、有金属光泽的固体，熔点高、硬度大，具有半导体性质。单质硅物理性质单质硅是半导体工业的重要原料，用于制造集成电路、太阳能电池等。此外，单质硅还可用于制造高纯硅、硅合金、陶瓷等。单质硅用途单质硅物理性质及用途

实验室制备单质硅方法镁热还原法用镁还原二氧化硅可制得单质硅，但纯度较低。碳热还原法用碳还原二氧化硅可制得单质硅，但反应温度较高，产物中可能混有碳化硅。四氯化硅氢还原法先用焦炭与氯气反应生成四氯化硅，再用氢气还原四氯化硅可制得高纯度的单质硅。这是目前工业上制备单质硅的主要方法。02半导体材料基础概念半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体定义根据元素组成，半导体可分为元素半导体（如硅、锗等）和化合物半导体（如砷化镓、磷化铟等）。半导体分类半导体定义与分类硅（Si）、锗（Ge）等。元素半导体砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）等。化合物半导体如并五苯、聚噻吩等有机分子或聚合物。有机半导体常见半导体材料举例P型半导体和N型半导体接触时，会形成PN结，具有单向导电性。PN结形成二极管工作原理晶体管工作原理利用PN结的单向导电性，实现正向导通、反向截止的功能。通过控制输入电流，控制输出电流的开关和放大等功能。030201半导体器件工作原理简介从电子管到晶体管，再到集成电路的发明和不断升级。发展历程集成电路上可容纳的元器件数量每18-24个月增加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律向更高集成度、更低功耗、更小尺寸、更高性能等方向发展，同时面临着物理极限、制造成本等挑战。发展趋势集成电路发展历程及趋势03二氧化硅结构与性质探究空间结构在二氧化硅晶体中，每个硅原子与四个氧原子相连，每个氧原子与两个硅原子相连，形成空间网状结构。晶体类型二氧化硅属于原子晶体，由硅原子和氧原子通过共价键连接而成。键能高、熔点高由于二氧化硅晶体中硅氧共价键的键能很高，因此二氧化硅的熔点也很高。二氧化硅晶体结构特点二氧化硅通常为无色透明的固体。颜色、状态二氧化硅的硬度很大，仅次于金刚石。硬度二氧化硅不溶于水，也不溶于一般的酸，但能与氢氟酸反应生成四氟化硅和水。溶解性二氧化硅物理性质总结与碱反应二氧化硅能与氢氧化钠等强碱溶液反应生成硅酸盐和水，表现出酸性氧化物的性质。与氢氟酸反应二氧化硅能与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，此反应可用于雕刻玻璃、制作玻璃器皿等。二氧化硅化学性质实验验证03硅酸盐矿物二氧化硅还以硅酸盐矿物的形式存在于自然界中，如长石、云母等。这些矿物在陶瓷、玻璃等工业中有广泛应用。01结晶态在自然界中，二氧化硅以结晶态存在，如石英、水晶、玛瑙等。02无定形态二氧化硅也以无定形态存在于自然界中，如硅藻土、蛋白石等。自然界中二氧化硅存在形态04光导纤维原理及应用领域123当光从一种介质射入另一种介质时，如果入射角大于或等于临界角，光线将全部反射回原介质，实现光的传输。光的全反射原理光纤由中心的纤芯和外围的包层组成，纤芯的折射率高于包层，使得光线在纤芯与包层界面上发生全反射。光纤结构传输速度快、带宽大、衰减小、抗干扰能力强等。光纤传输优点光导纤维传输原理简介光纤通信系统组成要素产生光信号，常用的有激光器和发光二极管。传输光信号的介质，分为单模光纤和多模光纤。将接收到的光信号转换为电信号，常用的有光电二极管和雪崩光电二极管。对衰减的信号进行放大和整形，保证信号的长距离传输。光源光纤光检测器放大器与中继器工作原理利用光纤传输光信号时，外界物理量（如温度、压力、位移等）的变化会引起光纤中传输光的某些特性（如强度、相位、偏振态等）发生变化，通过检测这些变化即可实现对外界物理量的测量。应用领域广泛应用于石油、化工、电力、航空航天等领域的温度、压力、流量等物理量的测量与控制。光纤传感器工作原理及应用内窥镜检查激光治疗传感器应用远程医疗光纤在医学领域应用前景01020304利用光纤传输图像信息，实现体内微小创口的检查与诊断。通过光纤将激光引导至病灶部位，实现精准治疗。利用光纤传感器实时监测患者生理参数，为医生提供准确诊断依据。通过光纤网络实现远程医疗咨询、手术指导等，提高医疗资源的利用效率。05实验室制备二氧化硅和光导纤维气相法利用四氯化硅或硅烷等气体在氢气火焰中高温水解制得二氧化硅。沉淀法将硅酸钠溶液与酸反应，生成硅酸沉淀，再经过滤、洗涤、干燥得到二氧化硅。溶胶-凝胶法通过溶胶凝胶过程，使含硅化合物在溶液中形成网状结构，再经热处理得到二氧化硅。实验室制备二氧化硅方法原料准备光纤预制棒制备光纤拉制光纤涂层光导纤维制备工艺流程选用高纯度的石英玻璃作为原料，经过清洗、干燥等预处理。将光纤预制棒在高温下拉伸成细长的光纤。采用气相沉积、溶液法等工艺制备出光纤预制棒。在光纤表面涂覆一层保护材料，以提高光纤的机械强度和稳定性。010204实验操作注意事项和安全规范严格遵守实验室安全规定，佩戴防护眼镜、手套等个人防护用品。操作前检查实验装置是否完好，确保无漏气、漏液等现象。实验中要控制反应条件，避免温度过高或过低导致实验失败或危险。实验结束后要及时清理实验现场，妥善处理废弃物。03对制备得到的二氧化硅和光导纤维进行表征，如XRD、SEM、光谱分析等。分析实验过程中可能出现的误差和影响因素，如原料纯度、反应条件、设备精度等。讨论实验结果与理论预期的差异，提出改进方案和优化建议。总结实验经验和教训，为后续实验提供参考和借鉴。01020304实验结果分析与讨论06硅材料在环境保护中作用利用硅藻土的多孔性，可以过滤污水中的悬浮物、重金属离子等有害物质。硅藻土过滤硅基吸附剂具有较大的比表面积和吸附容量，可有效去除污水中的有机物、染料等污染物。硅基吸附剂硅凝胶可用于处理含油污水，通过吸附和包覆作用去除油污，同时还可用于重金属离子的去除。硅凝胶硅材料在污水处理中应用硅基催化剂硅基催化剂可用于空气净化中的光催化反应，将有害气体分解为无害物质。硅气凝胶硅气凝胶是一种轻质、多孔的纳米材料，具有优异的吸附性能和隔热性能，可用于空气净化器的滤材。硅胶硅胶是一种多孔性固体，具有很强的吸附能力，可用于去除空气中的异味、有害气体等。硅材料在空气净化中作用硅藻土在固废填埋中应用硅藻土的多孔性和吸附性使其在固废填埋中起到很好的防渗和吸附作用，减少有害物质对环境的污染。硅材料在固废资源化中利用硅材料可用于固废的资源化利用，如制备硅肥、硅基复合材料等。硅基固废处理剂硅基固废处理剂可与固废中的有害物质发生化学反