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1、,NO.77-1 Kong-Ming Third Rd, Chu-Pei City, TaIna County, Taiwan, R.O.C.Tel:06-5728583 Fax:06-5714209治群科技有限公司GASPRO MATERIAL TECHNOLOGY CO., LTD.Date : 9/19/2006 點石成金的矽 一、 矽的發現 矽（Silicon），元素符號Si，它是人體中不可或缺的非金屬元素。它存在於星星和隕石中，在地殼含量佔27.6，除氧之外，矽是地球上含量第二豐富的元素。動物的骨骼和植物的組織中都含有矽，它構成矽藻類的細胞璧。矽首次在西元1800年，由英國化學家戴維
2、、法國化學家泰納爾和蓋依盧薩克，加以分離。直到西元1826年，才由瑞士化學家伯濟利亞斯，將其確認為元素。西元1854年，法國化學家戴維爾，首次製造晶體矽。二、 矽的性質 矽位於週期表的A族，是碳元素之一。原子序14，原子量28.068其晶體呈黑色或深灰色，為具高度金屬光澤的易碎固體。矽元素的比重是2.33是較硬的固體之一，硬度為7，熔點1410，沸點2355導電性能差，且遇熱時膨脹較小。在自然界中，矽有三種穩定同位素。它是不活潑元素，幾乎不溶於水，除了氫氟酸外它與大多數酸性物質均不會起反應但是它可以與鹵素化合並和鹼性物質反應，即使在稀溶液中，也能生成矽酸鹽和氫氣，與碳相比，它與氫的親和力弱，在
3、自然界中，矽通常以氧化物的形式存在。它不喜歡單獨游離，通常和其他的元素形成化合物，存在礦物中；像石英、水晶、瑪瑙、璧玉、貓眼石等。此外，在稻、竹的纖維裡；在動物的毛髮裡也有矽。三、矽的運用半導體1. 何謂半導體 由電學的理論來看所有的物質，無論是天然的或者是人工合成的，均可區分為導體、絕緣體及半導體。其最主要的不同，乃是取決於其導電率的大小，導電度越高則其導電的效果就越好；反之，則是越差或是根本不導電。 半導體乃是指導電率介於導體及非導體（絕緣體）之間的材料金屬導體與絕緣體的導電率幾乎為固定值，而半導體的導電率卻有某種程度的可變化範圍，摻雜微量的其他物質至半導體的材料中，可有效的改變且控制半導
4、體的導電率；相反的，在不改變材料的主要組成下，無論我們怎樣改變導體、絕緣體的材料，其導電率基本上是變化不大的。這種可改變且可有效控制導電率，可說是半導體材料最重要的特性。穩定原子的價電帶應該有八個電子，而：導體：價電子少於四個絕緣體：價電子多於四個半導體：有四個價電子2. 半導體的材料 目前工業界最常用的半導體材料為矽，其來源為砂（二氧化矽）在元素週期表上是第四族元素，意思是說該元素在電子軌域上，具有四個電子環繞原子核運行的特性，稱之為四價。每一個矽原子均以其四個價電子，與另外一個矽原子的四個價電子兩兩成對，形成穩定的鍵結結構。因此矽在正常情況下是不會導電的。但是如果在四價矽中，價入其他物質，
5、例如：摻入三價的硼或是摻入五價的磷後就會變成導體，因為三價的硼只有三個價電子，當它與矽結合時 ，第四對鍵結空出一個電子的位置，稱之為電洞該電洞隨時都可以接受電子的進入，造成電流而導電；五價的磷則比矽多出一個價電子，該多餘的電子於原子結構中四處遊蕩，形成電流而成為導體。至於導電度的大小，則是看摻入物質的濃度而決定。由於矽在正常情況下為絕緣體，摻入其他物質後又變為導體，於是便將矽稱為半導體。【如右圖所示，矽原子核中有14個帶正電的質子，也有14個帶負電的電子圍繞在原子核四周。由原子核往外數的第一層有2個電子，第二層有8個電子，剩下的4個電子在最外面的第三層。最外面的四個電子叫做價電子，所以矽原子是
6、四個價的】 在所有半導體元件中，用途最廣泛的是電晶體，電晶體是用來作為電子開關的，其構造有三個接點，只要控制接點間的電壓，便可以控制電流的流通與否以及電流的大小，如同我們日常生活中的水龍頭一樣，只要用手輕輕的轉它，便可以調整水的流量。四、矽化合物的特殊運用1. 矽化合物 矽的提煉方法很多，但比較常用的是，在電爐中加熱二氧化矽和焦炭，使二氧化矽還原成矽，分解產生出來的都是高純度的矽，高純度的矽在電子工業中具有很重要的作用，它與硼、鎵、磷、砷等元素混合後，可用來製造晶體管、矽二極管及其他半導體。 普通純度的矽，可以與大多數金屬形成合金： 矽鐵合金：用於生產有韌性的矽鋼、金屬鎂及矽銅 矽錫合金：用於
7、電話和電話線的矽青銅 矽元素還可以與某些陶瓷材料化合，形成金屬陶瓷，以及其他特殊耐火材料；在一些高溫反應下，還可作為金屬氧化物的還原劑。二氧化矽能轉變成石英或玉石，如果不純，就變成燧石。不純的二氧化矽是具有色彩的，例如：紅條紋瑪瑙、紫水晶等，大多可切磨成貴重的寶石。 2. 矽元素的底片 特殊的矽元素底片 數位相機使用矽元素做成的記憶體當作底片，這與傳統相機大不相同，傳統相機用的是軟片，數位相機則運用了一系列的數位影像感應器。3. 碳矽石的鑑別方法 二十幾年前當蘇聯假鑽(C.Z)推出市場時，曾帶給鑽石業界極大的困擾，因為它的特性非常接近鑽石。但漸漸的人們了解它的各種特徵，尤其是它的導熱不良，而鑽
8、石的導熱性很好，於是導熱探針的發明，使得鑽石和蘇聯鑽的分辨猶如桌上取柑一般容易。 2001年6月美國C3公司推出一種新的鑽石模仿品碳矽石它的各種特性比蘇聯鑽更接近鑽石，折射率值，色散都比蘇聯鑽強，且硬度更是高達9.5。尤其它的導熱性很好，在我們一般常用的導熱探針測試之下，它的反應和鑽石一樣，南部地區已有當鋪業被騙上當。雖然市場上已研發出多種鑑定器，但尚未普遍化，因此業者要區分碳矽石和真鑽，應從碳矽石的特性著手，遵循下列鑑定步驟，必可迎刃而解。 步驟一：觀察外觀，目前市場上推出之碳矽石的顏色常略帶灰綠色且七彩光比鑽石強。 步驟二：放大觀察，以十倍放大鏡或高倍顯微鏡觀察：刻線稜面：碳矽石的硬度在莫
9、氏硬度表上雖高達95，但還是遠不如鑽石，所以刻面稜線仍然不及鑽石那麼銳利。複影現象：鑽石和蘇聯鑽都是單折射，而碳矽石則為雙折射，且兩個值相差很大，因此會產生複影，即刻面稜線會變成兩個影像。但碳矽石在切割時常會把沒有複影的方向 (即光軸方向) 垂直於桌面，所以必需傾斜一個角度或由側邊觀察才能看出複影現象。內部特徵：鑽石內常含角狀礦物或有裂紋等特徵，碳矽石則常含類似針狀物的特徵。步驟三：測比重，碳矽石的比重 3.22，鑽石為3.52，對於未鑲的裸石可投入3.32 比重液中測試，鑽石會沈下去，碳矽石則會浮起來，可迅速而正確的區分出來。寶石名稱化學成份折射率值色散比重莫氏硬度鑽石C2.4170.044
10、3.5210蘇聯鑽ZrO22.150.0605.408.5碳矽石SiC2.65-2.690.01043.229.5 4. 致命的毒物矽甲烷 矽甲烷燃燒後產生的二氧化矽或一氧化矽，後者會因衝擊或振動而引起爆炸。一直是半導體製造上最具威脅及破壞性化學物質，不但對人員之身體傷害、死亡，更會造成財產損失及生產中斷。 矽甲烷氣體是一種在正常自燃溫度下具有自燃性的氣體。矽甲烷釋放時會發出噴射式的火焰。理論上，會引起氧化反應的原因是排氣造成亂流。排氣管內的死角在正常排氣的情況下，未反應的矽甲烷不會累積至危險濃度，但如果亂流沈澱，矽甲烷燃燒時造成壓力上升。但在某些情形下，矽甲烷洩漏是不會燃燒的，而會形成矽甲烷
11、蒸氣雲。但是因為矽甲烷的高反應性及不穩定特性，一旦蒸氣雲燃燒，就會引起爆炸。 四種矽甲烷可能燃燒的方式為： 立即燃燒：氣體一旦洩漏就會有反應。大量洩漏時，突然釋放及燃燒導致氣體管線可能增生壓力而增加潛在性的破壞力。縱使排氣也不能立即降低爆炸的危險性。 流量減低時燃燒：如果不是立即燃燒，可能當矽甲烷釋放速率逐漸減少接近終止時。排氣裝置可減少矽甲烷的累積量至最小，而減低爆炸壓力蓄積之危險。 關閉時燃燒：由突然關閉釋放源產生。 大量燃燒：矽甲烷濃度累積至4.5%或更高時，會產生大量燃燒並有爆炸危險。原因是混合物不穩定所造成的。 5. 能檢測炸藥的矽線美國加州大學的科學家開發了一種細小的矽線，可以檢測
12、非常小量的炸藥，這矽線是一種矽聚合體，直徑比頭髮還要小二千倍。加州大學的祖嘉教授說，這種矽聚合體在空氣和水中是非常穩定的它可以檢測很少量的炸藥，甚至在空氣中少於十億分之一的炸藥，或在水中少於二千萬分之一的炸藥，也可以檢測出來。科學家解釋說，這種矽線是由一列矽原子組成，科學家將矽用有機的分子包圍 讓它通過電流，在紫外線下發光；當這些矽線接觸到炸藥時，炸藥的分子會掠奪矽線的電子，不讓矽線發光。科學家示範使用一張含有矽線聚合物的紙，在黑色的光線下發光，但當被染有炸藥的手接觸後，被接觸過的部分便不會發光，證明染上炸藥；科學家指出，可以使用這種矽線，檢測空氣或水中的炸藥痕跡，幫助找尋隱藏的炸藥。6. 能
13、夠發光的矽晶來自德州大學校區的科學家成功地製造了可以放出可見光的矽晶。雖然過去已經有研究人員製造可發光的矽晶，但是波長並不在可見光的區域內。科學家利用一個非常巧妙的方法控制矽晶成長的大小，讓矽晶發出可見光成為可能。他們在鈦金屬的容器內裝入辛醇以及己烷，將之加熱到攝氏五百度左右並加高壓，此時加入純矽進行反應。在這個環境下原本純矽會先分解成矽原子再成長成一般的矽晶但加入的辛醇起了作用：它會吸附矽原子防止他們長成太大的晶體。最後他們將這些有機溶劑蒸發，便得到了只有奈米大小的微小矽晶。研究人員現在只要改變辛醇的量，就可以控制矽晶成長的大小以便得到各種波長的可見光。目前研究人員已經製造了可以發出藍光和綠
14、光的奈米矽晶，利用同樣的方法也可以製造發出紅光的矽晶。這項研究未來最大的應用潛力在於：發展成本低廉的矽雷射或者是平面顯示器。7. 不是玻璃的玻璃除了一般的玻璃外，玻璃還有一種代用品，稱之為類玻璃的產品。在1908年，英國化學家基平就合成了這樣的化合物，就是矽酮。在第二次世界大戰期間，各種矽酮樹脂大量湧現。這些矽酮的耐熱性優於純有機聚合物。可以獲得玻璃所不具有的理想的性能例如，某些矽酮在室溫條件下是流體，其黏度在相當大的溫度範圍內變化極小，也就是說，它們既不隨溫度的升高而變稀，也不隨溫度的降低而變稠。對於液壓流體如用於飛機起落架的那種流體來說，這是一種特別有用的性能。另一些矽酮可以製成柔軟的、與
15、油灰類似的封泥，這種灰泥在同溫層的低溫下既不變硬，也不開裂，而且防水性能良好。還有一些矽酮可作為抗酸潤滑劑。五、矽土沉著病 矽土沉著病是肺塵埃沉著病的一種。礦工、築路工人、玻璃製造工人以及岩石爆破工人容易得到。由於長時間吸入含有二氧化矽（矽土）的灰塵所引起。一般發病需要二到二十年的時間，平均約為十年就會發病。初期照光會有結塊，但沒有症狀的出現。過一段時間後才會有運動後氣喘、乾咳、咳血的症狀發生，最後會有肺機能不全以及心肺衰竭的現象。這種病人最容易感染肺結核病，而使病情更嚴重。肺部的光片上，除了結塊以外，還有肺部的纖維化、淋巴腺腫大，這沒有特殊的治療方法，預防最為重要。可在工作時戴口罩，或改善工作場所的通風設備。伍、研究心得： 做完此次報告，真的是讓我感到獲益良多，想不到帶領世界進入高科技時代的矽，除了為人類帶來財富及方便外，還帶來了隱藏的危機。正如水能載舟，亦能覆舟，有好處也有壞處，就看你如何拿捏之中的差異而已。如果控制的不好，或防護措施
