Silicis
Linas JuozėnasPodeli
Silicijum
Silicijum je hemijski element označen simbolom Si i atomskim brojem 14. U prirodi se gotovo nikada ne nalazi čist, jer se lako vezuje za kiseonik i druge elemente. Zato silicijum najčešće srećemo u kvarcu, feldspatima, liskunima, mineralima gline i brojnim drugim silikatima. Kada se prečisti do izuzetno visokog nivoa i izraste u jedinstven kristal, postaje kontrolisani poluprovodnik od kojeg se proizvode mikročipovi, senzori i solarne ćelije.
Element sa četiri veze, sposoban da postane skelet stene ili precizno kontrolisan put elektrona
Atom silicijuma ima četiri valentna elektrona. To mu omogućava da sa susednim atomima obrazuje četiri jake kovalentne veze.
U čistom kristalnom silicijumu svaki atom se vezuje za četiri druga atoma silicijuma i stvara trodimenzionalnu rešetku dijamantskog tipa.
U prirodi se silicijum češće vezuje za kiseonik. Tetraedri silicijuma i kiseonika mogu biti pojedinačni ili povezani u lance, prstenove, slojeve ili neprekinute mrežaste strukture.
Suština silicijuma: iste četiri moguće veze omogućavaju mu da stvara i ogromnu raznovrsnost silikata u Zemljinoj kori i uređeni poluprovodnički kristal u elektronici.
Četiri valentna elektrona
Oni omogućavaju silicijumu da izgradi čvrstu mrežu sa četiri veze.
Položaj metaloida
Silicijum ima svojstva karakteristična i za metale i za nemetale, pa zauzima prelazni položaj.
Kontrolisana provodljivost
Čist silicijum je ograničeno provodljiv, ali se njegovo električno ponašanje može veoma precizno menjati malim količinama primesa.
Čvrst, krt i sivkasto sjajan kristal čija provodljivost zavisi od temperature, svetlosti i primesa
| Hemijski simbol | Si |
|---|---|
| Atomski broj | 14 |
| Klasa elementa | Metaloid |
| Kristalna struktura | Dijamantska kubna rešetka |
| Tvrdoća | Približno 6,5–7 po Mosovoj skali |
| Gustina | Približno 2,33 g/cm³ |
| Temperatura topljenja | Oko 1414 °C |
| Temperatura ključanja | Oko 3265 °C |
| Sjaj | Metalni ili polumetalni |
| Boja | Tamnosiva, čeličnosiva ili plavičastosiva |
| Prelom | Školjkast; materijal je krt |
| Elektronsko svojstvo | Poluprovodnik čiji je širina zabranjene zone na sobnoj temperaturi oko 1,12 eV |
| Promena provodljivosti | Povećava se s porastom temperature, pod dejstvom svetlosti ili dodavanjem odgovarajućih primesa |
Jedan od najvažnijih gradivnih elemenata planete, ali gotovo uvek skriven u jedinjenjima
Kvarc
Silicijum-dioksid SiO₂ čini kvarc, ametist, citrin, gorski kristal i mnoge druge varijetete kvarca.
Feldspati
Okviri od silicijuma, aluminijuma, kiseonika i metala čine jednu od najzastupljenijih grupa minerala Zemljine kore.
Liskuni
Silikatni listovi omogućavaju ovim mineralima da se lako cepaju u tanke pločice.
Minerali gline
Trošenjem silikata nastaju izuzetno sitne lisnate čestice, važne za zemljište i sedimente.
Pirokseni i amfiboli
Njihovi silikatni lanci važni su za magmatske i metamorfne stene.
Prirodni silicijum
Slobodni elementarni silicijum u prirodi je veoma redak, jer lako reaguje i pretvara se u okside ili silikate.
Veći deo mineralne arhitekture Zemljine kore može se razumeti posmatranjem načina na koji se tetraedri silicijuma i kiseonika povezuju u sve složenije oblike.
Od silicijum-dioksida u steni do izuzetno čistog materijala u kojem se kontroliše gotovo svaka primesa
Bira se silicijum-dioksid
Za proizvodnju se koristi kvarc ili veoma čist kvarcni pesak.
Silicijum-dioksid se redukuje
Na visokoj temperaturi, u električnoj peći, kiseonik se uklanja pomoću materijala koji sadrži ugljenik.
Dobija se metalurški silicijum
Nastaje siva masa elementarnog silicijuma, koja i dalje sadrži previše primesa za osetljivu elektroniku.
Silicijum se pretvara u isparljivo jedinjenje
Hemijsko međujedinjenje može se destilovati i odvojiti od mnogih zagađivača.
Taloži se izuzetno čist silicijum
Iz prečišćenog gasovitog jedinjenja dobija se polikristalni materijal veoma visoke čistoće.
Materijal se priprema za rast kristala
Silicijum se topi u kontrolisanom okruženju i koristi za formiranje jednokristalnih ili polikristalnih sirovaca.
Kvarc u prirodi može biti gotovo providan, ali elektronici nije potrebna samo lepa sirovina. Potrebna je takva čistoća da čak ni veoma mala količina neželjenog elementa više ne naruši električno ponašanje.
Ogroman kristal raste tako da milijarde atoma nastavljaju u jednom zajedničkom smeru rešetke
Od rastopa do pločice
Jednokristalni cilindar se seče na veoma tanke kružne pločice, koje se nazivaju silicijumske pločice. Na njima se kasnije izrađuju tranzistori, provodne staze i druge elektronske strukture.
Kristalna klica
Mali precizno orijentisani kristal silicijuma dodiruje površinu rastopljenog materijala.
Sporo izvlačenje
Klica se okreće i podiže, a atomi koji joj se pridružuju nastavljaju istu kristalnu rešetku.
Jednokristalni cilindar
Pažljivim upravljanjem temperaturom i brzinom izvlačenja raste dugačak kristal ujednačene orijentacije.
Sečenje pločica
Cilindar se seče na tanke diskove čija se površina ravna i polira.
Kristalografski pravac
Orijentacija pločice bira se prema proizvodnim i električnim svojstvima budućeg uređaja.
Polikristalni silicijum
Kada se materijal sastoji od mnogo različito orijentisanih kristalnih zrna, naziva se polikristalnim.
Njegova provodnost može se dovoljno dobro kontrolisati, sirovina je široko dostupna, a na površini se može stvoriti stabilan izolacioni sloj oksida
Poluprovodničko ponašanje
Silicijum nije ni dobar metalni provodnik ni potpuni izolator, pa se kretanje njegovih elektrona može kontrolisati.
Silicijum n-tipa
Primese koje imaju dodatni valentni elektron povećavaju broj slobodnih elektrona.
Silicijum p-tipa
Primese koje imaju jedan valentni elektron manje stvaraju mesta s manjkom elektrona, nazvana šupljinama.
Tranzistori
Električno polje kontroliše da li struja protiče kroz mikroskopski silicijumski kanal.
Solarne ćelije
Svetlost u silicijumu stvara pokretne nosioce naelektrisanja, koje unutrašnje električno polje usmerava u električno kolo.
Sloj silicijum-dioksida
Na površini silicijuma može se formirati čvrst izolacioni sloj SiO₂, veoma važan za proizvodnju mikročipova.
Silicijum je postao temelj tehnologije ne zato što je u jednom pogledu savršen, već zato što se njegova električna, hemijska, termička i proizvodna svojstva izvanredno dobro dopunjuju.
Tri sličnozvučeće reči označavaju potpuno različite materijale
Silicijum
Hemijski element Si. Čist kristalni silicijum je tamnosivi metaloid i poluprovodnik.
Silicijum-dioksid
Jedinjenje SiO₂. Ono gradi kvarc i važan je sastojak mnogih peskova, stakala i stena.
Silikati
Ogromna grupa minerala u kojoj se jedinice silicijuma i kiseonika povezuju s aluminijumom, magnezijumom, gvožđem, kalcijumom i drugim elementima.
Silikon
Porodica sintetičkih polimera čiji se glavni lanac sastoji od naizmenično povezanih atoma silicijuma i kiseonika.
Staklo
Najčešće amorfni materijal od silicijum-dioksida i drugih oksida, bez dugodometnog kristalnog reda.
Silicijum-karbid
Jedinjenje SiC, sastavljeno od silicijuma i ugljenika, koje odlikuju velika tvrdoća i otpornost na toplotu.
Silicijum nije isto što i silikon. Jedno je element i poluprovodnik, a drugo je polimerni materijal napravljen na bazi silicijuma, kiseonika i organskih grupa.
Element je izdvojen iz materijala koje su ljudi koristili hiljadama godina, iako dugo nisu znali njihovu pravu hemijsku prirodu
Naziv silicijum povezuje se s latinskom rečju silex, koja je označavala kremen ili tvrdi kamen bogat silicijumom.
Ljudi su od davnina koristili kremen, kvarcni pesak, glinu, keramiku i staklo, ali je elementarni silicijum u tim materijalima bio hemijski vezan.
Početkom XIX veka shvaćeno je da silicijum-dioksid sadrži dotad neizdvojen element. Godine 1824. Jons Jakob Berzelius pripremio je prilično čist amorfni silicijum.
Kasnije su svojstva kristalnog silicijuma postala sve važnija za elektrotehniku, a u XX veku postao je osnovni materijal za tranzistore i integrisana kola.
Priča o silicijumu ima neobičan tok: najpre se skrivao u kamenu, zatim je izdvojen u laboratoriji, a na kraju je i sam postao materijal u kojem je čovečanstvo počelo da čuva i obrađuje informacije.
Kristal koji je naučio da računa
U steni planine živeo je silicijum. Držao je kvarcnu rešetku, okvir feldspata i listiće liskuna, ali ga niko nije video zasebno.
Jednog dana ljudi su ga oslobodili veza s kiseonikom, prečistili i istopili.
„U šta bi trebalo da postanem?“ — upitao je silicijum.
„Najpre nauči da sve svoje atome poređaš u jednom smeru“, odgovorila je klica kristala.
Silicijum je polako rastao dok nije postao jedinstven kristal. Tada je u njegovu rešetku ubačeno svega nekoliko stranih atoma.
Na jednom mestu pojavio se dodatni elektron, a na drugom prazno mesto kroz koje je mogao da se kreće. Između njih je počeo da teče kontrolisani signal.
Tako je element koji je milijardama godina gradio kamenje naučio da računa, pamti i prenosi misli koje su stvorili ljudi.
Ovo nije drevna legenda. To je kreativna priča nadahnuta stvarnom silicijumskom rešetkom, provođenjem kroz primesama i radom mikročipova.
Struktura, precizna veza i sposobnost da se od mnoštva malih jedinica stvori funkcionalan sistem
U savremenom simboličkom jeziku silicijum se može povezati s logikom, učenjem, obradom informacija, stvaranjem sistema i svesnim oblikovanjem veza. Ovo je kreativna interpretacija, a ne naučno potvrđeno dejstvo na čoveka.
Četiri veze
Jedan element može postati stabilan ne odvajanjem, već preciznim povezivanjem sa okruženjem.
Kristalni poredak
Male, dosledno ponavljane pravila mogu stvoriti veliku i pouzdanu strukturu.
Važnost primesa
Mali novi element ponekad ne narušava sistem, već mu daje potpuno novu funkciju.
Poluprovodničko stanje
Ne mora sve biti potpuno otvoreno ili potpuno zatvoreno — vrednost može biti u kontrolisanom prelazu.
Signal
Informacija postaje smislena tek kada ima putanju, smer i jasno stanje.
Od kamena do misli
Isti materijal može imati potpuno različitu ulogu kada se promene kvalitet njegove čistoće, strukture i organizacije.
Ritual jasnog sistema
Ova suva simbolička praksa namenjena je radu ili projektu koji se sastoji od mnogo zasebnih detalja, ali još nema jasnu funkcionalnu strukturu.
Šta će vam biti potrebno
- jednog uzorka silicijuma;
- lista papira;
- olovke;
- jednog složenog zadatka ili projekta.
Četiri osnovne veze
Napišite četiri najvažnija dela projekta bez kojih sistem ne bi mogao da funkcioniše.
Pravilo rešetke
Uz svaki deo napišite jedno jasno pravilo prema kojem treba da funkcioniše.
Putanja signala
Nacrtajte kako se informacija, odluka ili materijal kreću iz jednog dela u drugi.
Korisna primesa
Navedite jednu malu promenu koja bi sistemu mogla da pruži novu funkciju ili ukloni najveću prepreku.
Bajanje
Stavite silicijum u sredinu lista i izgovorite tri puta:
Vidim veze, stvaram red,
povezujem sistem malim jedinicama.
Završetak
Recite: „Ne moram sve da izgradim odjednom. Dovoljno je da precizno povežem sledeći najvažniji deo.“
Najčešća pitanja o silicijumu
Šta je silicijum?
Da li je silicijum metal?
Da li je silicijum mineral?
Kakva je kristalna struktura silicijuma?
Kolika je tvrdoća silicijuma?
Zašto je silicijum poluprovodnik?
Šta su silicijum n-tipa i p-tipa?
Da li su silicijum i silicijum-dioksid isto?
Da li su silicijum i silikon isto?
Šta silicijum simbolizuje u savremenoj mašti?
Silicijum pokazuje kako ista atomska osobina može da izgradi planine, prozirni kvarc, solarne ćelije i mikroskopske logičke kapije
U prirodi silicijum gotovo uvek postoji u vezama sa kiseonikom i drugim elementima, stvarajući ogromnu raznovrsnost silikatnih minerala.
U industriji se oslobađa iz silicijum-dioksida, prečišćava i uzgaja u pravilne monokristale.
Dodavanjem veoma male količine odgovarajućih primesa, u rešetki nastaju dodatni elektroni ili šupljine, a električni signal postaje kontrolisan.
U hemiji je silicijum četrnaesti element. U simboličkom jeziku može da nas podseti da složeni sistemi ne moraju nastati iz jednog velikog rešenja – nastaju kada se mnoštvo malih veza rasporedi toliko precizno da počnu da funkcionišu kao jedna misao.