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硅的基本性质

硅的基本性质
硅的基本性质

第一章硅的基本性质

硅属元素周期表第三周期ⅣA族,原子序数l4,原子量28.085。硅原子的电子排布为1s22s22p63s23p2,原子价主要为4价,其次为2价,因而硅的化合物有二价化合物和四价化合物,四价化合物比较稳定。地球上硅的丰度为25.8%。硅在自然界的同位素及其所占的比例分别为:28Si为92.23%,29Si为4.67%,30Si为3.10%。硅晶体中原子以共价键结合,并具有正四面体晶体学特征。在常压下,硅晶体具有金刚石型结构,晶格常数a=0.5430nm,加压至l5GPa,则变为面心立方型,a=0.6636nm。

硅是最重要的元素半导体,是电子工业的基础材料,它的许多重要的物理化学性质,如表1.1 所示。

表1.1 硅的物理化学性质(300K)[4,6]

①本书中关于分子、原子、离子密度、浓度的单位简写为cm-3或cm-2。

续表

1.1 硅的基本物理和化学性质

1.1.1 硅的电学性质

半导体材料的电学性质有两个十分突出的特点,一是导电性介于导体和绝缘体之间,其电阻率约在10-4~1010Ω·cm范围内;二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光、热、磁等)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差,称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质,其电导率将会显著增加,例如,向硅中掺入亿分之一的硼,其电阻率就降为原来的千分之一。当硅中掺杂以施主杂质(v 族元素:磷、砷、锑等)为主时,以电子导电为主,成为N型硅;当硅中掺杂以受主杂质(Ⅲ族元素:硼、铝、镓等)为主时,以空穴导电为主,成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结,它是半导体器件的基本结构和工作基础。

硅和锗作为元素半导体,没有化合物半导体那样的化学计量比问题和多组元提纯的复杂性,因此在工艺上比较容易获得高纯度和高完整性的Si、Ge单晶。硅的禁带宽度比锗大,所以相对于锗器件而言硅器件的结漏电流比较小,工作温度比较高(250℃)(锗器件只能在150℃以下工作)。此外,地球上硅的存量十分丰富,比锗的丰度(4×10-4%)多得多。所以,硅材料的原料供给可以说是取之不尽的。60年代开始人们对硅作了大量的研究开发,在电子工业中,硅逐渐取代了锗,占据了主要的地位。自1958年发明半导体集成电路以来,硅的需求量逐年增大,质量也相应提高。现在,半导体硅已成为生产规模最大、单晶直径最大、生产工艺最完善的半导体材料,它是固态电子学

及相关的信息技术的重要基础。

但硅也存在不足之处,硅的电子迁移率比锗小,尤其比GaAs 小。所以,简单的硅器件在高频下工作时其性能不如锗或GaAs 高频器件。此外,GaAs 等化合物半导体是直接禁带材料,光发射效率高,是光电子器件的重要材料,而硅是间接禁带材料,由于光发射效率很低,硅不能作为可见光器件材料。如果现在正在进行的量子效应和硅基复合材料等硅能带工程研究成功,加上已经十分成熟的硅集成技术和低廉价格的优势,那么硅将成为重要的光电子材料,并实现光电器件的集成化。

1.1.

2 硅的化学性质

硅在自然界以氧化物为主的化合物状态存在。硅晶体在常温下化学性质十分稳定,但在高温下,硅几乎与所有物质发生化学反应。硅容易同氧、氮等物质发生作用,它可以在400℃与氧、在1000℃与氮进行反应。在直拉法制备硅单晶时,要使用超纯石英坩埚(SiO 2)。石英坩埚与硅熔体反应:

反应产物SiO 一部分从硅熔体中蒸发出来,另外一部分溶解在熔硅中,从而增加了熔硅中氧的浓度,是硅中氧的主要来源。在拉制单晶时,单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体,这种工艺可以有效防止外界沾污,并且随着Si0蒸发量的增大而降低熔硅中氧的含量,同时,在炉腔壁上减缓SiO 沉积,以避免SiO 粉末影响无位错单晶生长。硅的一些重要的化学反应式如下:

(1.2)式前两个反应是硅平面工艺中在硅表面生成氧化层的热氧化反应,后两个反应常用来制造高纯硅的基本材料——SiCl 4和SiHCl 3。二氧化硅十分稳定,这一特点使得SiO 2膜在器件工艺中起着极为重要的作用。PN 结受到SiO 2膜的保护提高了器件的可靠性。在平面工艺中,SiO 2膜是MOSFET 器件结构的组成部分;在扩散工艺中成为有效的掩蔽层。由于SiO 2膜容易热氧化生成以及可以通过化学腐蚀选择性去除,因此,能够使用光刻方法实现器件小型化,使精细结构变成现实。

硅对多数酸是稳定的。硅不溶于HCl 、H 2SO 4、HNO 3、HF 及王水。但硅却很容易被HF —HNO 3

混合液所溶解。因而,通常使用此类混合酸作为硅的腐蚀液,反应式为

HNO 3在反应中起氧化剂作用,没有氧化剂存在,HF 就不易与硅发生反应。

HF 加少量铬酸酐CrO 3的溶液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂。硅和稀碱溶液作用也能显示硅

中缺陷。硅和NaOH 或KOH 能直接作用生成相应的硅酸盐而溶于水中:

硅与金属作用能生成多种硅化物。TiSi2,WSi2,MoSi2等硅化物具有良好的导电、耐高温、抗电迁移等特性,可以用于制备集成电路内部的引线、电阻等元件。

1.1.3 硅的光学和力学性质

1.硅的光学性质

硅在室温下的禁带宽度为1.1leV,光吸收处于红外波段。人们利用超纯硅对1~7μm红外光透过率高达90%~95%这一特点制作红外聚焦透镜。硅的自由载流子吸收比锗小,所以其热失控现象较锗好。硅单晶在红外波段的折射率为3.5左右,其两个表面的反射损耗略小于锗(大于45%),通常在近红外波段镀SiO2或Al2O3,在中红外波段镀ZnS或碱卤化合物膜层作为增透膜。

硅是制作微电子器件和集成电路的主要半导体材料,但作为光电子材料有两个缺点:它是间接带隙材料,不能做激光器和发光管;其次它没有线性电光效应,不能做调制器和开关。但用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术在硅衬底上生长的SiGe/Si应变超晶格量子阱材料,可形成准直接带隙材料,并具有线性电光效应。此外,在硅衬底上异质外延GaAs或InP单晶薄膜,可构成复合发光材料。

2.硅的力学和热学性质

室温下硅无延展性,属脆性材料。但当温度高于700℃时硅具有热塑性,在应力作用下会呈现塑性形变。硅的抗拉应力远大于抗剪应力,所以硅片容易碎裂。硅片在加工过程中有时会产生弯曲,影响光刻精度。所以,硅片的机械强度问题变得很重要。

抗弯强度是指试样破碎时的最大弯曲应力,表征材料的抗破碎能力。测定抗弯强度可以采用“三点弯”方法测定,也有人采用“圆筒支中心集中载荷法”测定和“圆片冲击法”测定。可以使用显微硬度计研究硅单晶硬度特性,一般认为目前大体上有下列研究结果:

①硅单晶体内残留应力和表面加工损伤对其机械性能有很大影响,表面损伤越严重,机械性能越差。但热处理后形成的二氧化硅层对损伤能起到愈合“伤口”的作用,可提高材料强度。

②硅中塑性形变是位错滑移的结果,位错滑移面为{111}面。晶体中原生位错和工艺诱生位错及它们的移动对机械性能起着至关重要的作用。在室温下,硅的塑性变形不是热激发机制,而是由于劈开产生晶格失配位错造成的。

⑧杂质对硅单晶的机械性能有着重要影响,特别是氧、氮等轻元素的原子或通过形成氧团及硅氧氮络合物等结构对位错起到“钉扎”作用,从而改变材料的机械性能使硅片强度增加。

硅在熔化时体积缩小,反过来,从液态凝固时体积膨胀。正是由于这个因素,在拉制硅单晶结束后,剩余硅熔体凝固会导致石英坩埚破裂。熔硅有较大的表面张力(736mN/m)和较小的密度(2.533g/cm3)。这两个特点,使得棒状硅晶体可以采用悬浮区熔技术生长,既可避免石英坩埚沾污,又可多次区熔提纯和拉制低氧高纯区熔单晶。相比之下,锗的表面张力很小(150mN/m),密度较大(5.323g/cm3),所以,通常只能采用水平区熔法。

硅的热学和力学参数见表1.1。

1.1.4 硅的相图

相图是一个多组元系统的平衡状态图。通过相图,可以直观地了解到材料的元素组成、化合物形成条件及熔化温度、合金的熔化和凝固温度的范围、固熔体的溶解度、体系可能存在的相、各种相的组成、相对数量、平衡分凝系数等,所以硅的相图十分重要。

在半导体硅的制备中,从多晶硅熔化成熔硅再拉制成硅单晶的过程属于相变过程,涉及到硅中杂质分凝,以及硅中杂质固溶度等问题。在外延工艺中,通常采用气相外延,或液相外延。为了生长出优质外延层,需要相图知识的帮助。同样,在器件制造工艺过程中,也常常遇到物质在不同相之间的平衡和相互转变的问题。关于相图的理论阐述见第三章,在这里仅列出几种在半导体硅材料制备和器件制造工艺中比较重要的硅相图。图l.1为铝一硅相图,图l.2为金一硅相图,而图1.3为锑一硅

相图。

1.2 硅的晶体结构与表面结构

半导体材料的性能与它们的结构及成分密切相关。研究半导体材料的结构主要有两个途径,一是能带论,它是从晶体结构的长程周期性来研究材料的电子能态结构;二是化学键理论,它是从物质的化学组成,晶体结构等短程序来研究材料的原子结构。这两种理论是研究半导体材料的主要理论。

1.2.1 化学键

化学键是指晶体或分子中两个或多个原子(或离子)之间的相互作用力。依赖这种作用,原子、离子或分子相互结合组成各种物质。化学键有各种不同类型,即离子键、共价键、金属键、范德瓦尔斯键和氢键等。它们的构造及特性列于表l.2。

表1.2化学键的构造及其物理性质[7]

在半导体材料的化学键中,占优势的是共价键(有时也含有一定的离子键成分)。硅晶体中的化学键是典型的共价键。共价键是通过价电子的共有化形成的,每个原子都与周围的原子形成四个等同的共价键。而硅原子的电子构型是ls2、2s2、2p6、3s2、3p1x、3p l y,只有两个未成对的价电子,根据自旋方向相反的价键电子才能配对生成共价键的理论,则每个硅原子只能和最近邻原子形成两个共价键,但实际上却是四个共价键。为此,鲍林(L.Pauling)和斯莱脱(Slater)等人提出了杂化轨道理论。该理论认为:在组成晶体或分子时,原子本身的势场受到周围原子的影响而产生微扰,使硅原子

的3s轨道与3p轨道简并化,即能量等同化,并线性组合成新的轨道函数。这些简并态的任何线性组合也是这一体系的允许状态。杂化成的轨道函数很多,但通过正交归一化条件,只有四个轨道才能确立。以金刚石(碳晶体)为例,碳的电子构型为ls2、2s2、2p2,其中,2s轨道和2p轨道产生简并,由原来的轨道波函数线性组合成新的轨道函数:

作为近似,只考虑角函数部分,则

这样得到新的轨道函数ψi 称为sp3杂化轨道。

由于化学键的稳定性与成键原子间电子云的重叠程度有关,所以把轨道函数中的角函数部分的最大值定义为成键能力,并将ψ2s 的成键能力定为1,因此,ψ2p 的成键能力都是3。杂化轨道理论将表明,由s、p轨道组成的杂化轨道具有远大于s和p轨道的平均成键能力。杂化轨道除了方向差别外,电子云分布完全相同,所以杂化轨道也称为等性轨道。

对sp3杂化轨道ψ2s具有球对称性,对四个杂化后的等性轨道ψi作出相同的贡献,即

a i2=1/4。

…±

根据ψ2px 、ψ2py、ψ2pz 的对称性,可以把杂化轨道ψ1 写成

由于a i=1/2,从归一化条件可得出

所以

由波函数的正交归一化条件,可知ψi 的系数以a i、b i、c i、d i之间存在以下关系,

则求出四个杂化轨道ψi的具体形式为:

sp3杂化时坐标系(O点在立方体中心)如图l.4所示。沿(111)方向有cosθ=1/3,sinθ=2/3,cosυ=sinυ=1/2,所以ψ2px 、ψ2py、ψ2pz均为正值。

则ψ1在(111)方向上成键能力为

因而超过了ψ2s (=1)及ψ2p (=1.7321)的成键能力。

可以证明,ψ1在(111),(111),(111)方向上与ψ1 (111)有相同的成键能力。这表明,共价键不仅有饱和性,即共价键具有确定的数目,比如sp3杂化形成4个共价键,此外还有方向性,即原子只能在特定方向上形成共价键。硅原子的四个sp3杂化轨道是等同的,各含有l/4s和3/4p成分。它们两两之间的夹角为109°28?。所以,它们的对称轴必须指向正四面体的四个顶角,如图l.5所示。共价键的强弱取决于成键原子间电子云重叠程度。重叠愈多,共价键愈强。因此,硅原子结合时的4 个共价键取四面体顶角方向,如图1.6所示。其中圆球表示硅原子,圆球间的棒表示共价键。它们两两之间的夹角都是109°28?。这就决定了硅晶体必为金刚石型结构。金刚石型结构的基本特点是每个原子有4个最近邻原子,它们都处于正四面体顶角方向上,如图l.7所示。

正是由于硅原予sp3杂化,4个价电予分别占据四个杂化轨道,虽然3s能级上的电子激发到3p 能级上需要一定的能量,但形成2个共价键所放出的能量更多,结果体系更趋稳定。

硅原子杂化轨道中4个未配对的价电子,分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋方向相反的电子对,形成4个共价键。因此,硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。

在温度为0K时硅晶体中,所有价电子均束缚在共价键上,没有自由电子,不能导电。只有当电子受激发脱离了共价键后,成了自由电子,同时产生一个空穴,而电子和空穴成为自由载流子,在外电场作用下运动,才产生电流。硅晶体的半导体性质可以用共价键结构做定性解释。化学键理论比较直观,是能带理论的一种补充。

1.2.2 硅的晶体结构

不同的半导体材料有不同的晶体结构。常见的元素半导体和二元化合物半导体的晶体结构,主要有金刚石型、闪锌矿型和纤锌矿型,还有少量的氯化钠型,见图1.8~图l.11。一些重要的半导体材料的晶体结构见表l.3。

表1.3 重要半导体材料的晶体结构[4]

晶体结构晶系空间群主要半导体材料

金刚石型立方O T4——Fd3m C(金刚石),Si,Ge,灰-Sn

闪锌矿型立方T2d——F43m

BN﹡,BP,AlP,GaP,lnP,BAs,AlAs,

GaAs,InAs,BSb,AlSb,GaSh,lnSb,

ZnO﹡,ZnS﹡,CdS﹡,HgS﹡,ZnSe,CdSe﹡

HgSe,ZnTe

CdTe,HgTe,SiC

纤锌矿型六方C46v——P6mc BN﹡,AlN,GaN,InN

ZnO﹡,ZnS﹡,CdS﹡,HgS﹡,CdSe﹡氯化钠型立方O5k——Fm3m CdO,PbS,PbSe,PbTe *具有两种不同结构类型

金刚石型、闪锌矿型和氯化钠型结构均可看成是由两套面心立方格子套构而成。不同的是,前两者两套格子沿对角线方向平移l/4对角线套构,而氯化钠型则是沿[l00]方向,平移1/2套构;金刚石型由同种元素的两套面心立方晶格套构而成,而闪锌矿型结构则由两种不同元素原子分别组成的两套面心立方晶格套构而成。其构成情况见图l.12所示。

由于晶体结构的周期性,可以选取某种单元结构,通过平移得到整个晶格。固体物理学选

取最小的平行六面体重复单元,称为原胞。原胞反映晶格的周期性。晶体学则选取比较大的单元,不仅在顶角,在面心和体心也可以有格点,这样的单元称为晶胞。晶胞不仅反映了晶格的周期性,也反映了晶格的对称性,表征晶格的类型。硅晶胞是立方晶系,可用直角坐标系x,y,z轴来确

定晶体中晶向和晶面的方位,并以晶格常数a为坐标的单位长度。8个顶点和6个面心都有原子,另外在立方体内还有4个硅原子,各占据空间对角线上距相应顶点1/4处,所以晶胞中含有的原子数为8,它们的坐标分别为:(0,0,0),(1/2,1/2,0),(1/2,0,1/2),(0,1/2,1/2),(1/4,1/4,1/4),(3/4,3/4,

1/4),(3/4,1/4,3/4),(1/4,3/4,3/4)。硅的晶格常数a=5.4395?。硅晶体中的原子密度为:n a=8/(5.4395 ?)3≈5×1022 cm-3

相邻两原子间的间距为3a/4=2.35167 ?,四面体共价半径为1.17584 ?。

图1.13表示出整个硅晶体结构。在[111]方向,从下向上原子层的排列是γaαbβcγ,最上层

的γ层原子和最下层的γ层原子完全重合,显示晶体结构的周期性。

硅晶体中有一些重要的晶面和晶向,它们示于图1.14。晶面用符号(hkl)表示。其中hkl称为密勒指数,也称为晶面指数。它是这样确定的:选取一个不通过原点的晶面,该晶面在z,y,z三个晶轴上的截距的倒数的互质数h,k,l,即为密勒指数。

由于金刚石结构的对称性,每一类型的晶面组有着相同的面间距、面密度和质点分布,称为等同晶面,用符号{hkl}表示。{100}含有6个等同晶面,(110}含有l2个晶面,{111)含有8个晶面。分

别为

晶向是指晶列组的方向。它用晶向指数表示。确定晶向指数的方法是:选一格点为

原点O,令坐标轴与晶轴重合。选择或平移操作通过原点O的晶列。任取晶列上一点A作矢量OA,表示为

用r,s,t的最大公约数统除,使之成为互质的整数m,n,p。用方括号[mnp]表示,称为晶向指数。在一种晶体中,有些晶列组是不同的,但它们有相同的结点间距和质点分布。这些晶列组称为等同晶列组,其方向用标记。

硅晶体中重要的晶向和等同晶向有

及与它们相反的晶向。

对于立方晶系,两个晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)之间的夹角θ可以由下式计算:

表1.4列出了立方晶体晶面(晶向)间的夹角。

表I.4 立方晶体晶面(晶向)间的夹角 (9)

续表

硅晶体中几个主要晶面的面间距、面密度和键密度列于表1.5,其中a=5.4395 ?。

硅晶体中{111}面是双原子层面。如果将硅晶体结构投影到(110)面上,见图1.15,图中虚线是(111)面与(110)面的交线。(111)面之间大的距离为3a/4=2.35,小的距离为3a/12=0.78 ?。

表1.5 硅晶体中主要晶面的面间距、面密度和键密度[9]

从表l.5可见,{111}面间距最大,键密度最小;{100}面间距最小,键密度最大;{110}面居中。所以,硅晶体中{111}面和{110}面是主要解理面和次要解理面。

1.2.3 硅晶体的对称性

晶体的主要特征是其原子的配置具有周期性,同时还具有一定的对称性。这种宏观及微观对称性决定了晶体外部多面体形状的对称性和物理化学性质上的对称性。描述晶体的对称性,可归结为研究晶体具有哪些对称元素。所谓对称元素是指晶体以点、轴、面为中心,以及平移与这些中心的组合,经过一定的对称操作能够恢复原状。这些点、轴、面等即为对称元素。对称操作实际上是一种线

性变换。这种变换有反演(中心反映、倒反、反伸)、反映(镜象,

面反映)、旋转、旋转加反演(象转,倒转),以及旋转加反映。在

晶体的微观对称性中,有平移还有旋转加平移、滑移加反映等操

作。

图1.16表示硅晶体的旋转轴。旋转对称操作中使晶体旋

转重合的最小角度θ=360°/n ,n 表示旋转轴轴次。晶体中只能存在

五种旋转轴,按习惯符号为L l ,L 2,L 3,L 4,L 6。国际符号以l ,2,

3,4,6表示。

由于硅晶体具有正四面体结构,其外形由8个{111}等

性晶面组成八面体。它有6条二次旋转轴,4条三次旋转轴和

3条四次旋转轴。L 4(4)是对顶角的联线,用投影符号“■”标明。

L 3(3)是相对面中心的联线,用投影符号“▲”标明。L 2(2)是对边

中点的联线,用投影符号“●”标明。硅晶体具有对称中心,相应

的对称操作为中心反映,习惯符号为C ,国际符号为1。硅晶体有9

个反映对称面,习惯符号为P ,国际符号为m 或2。图

1.17表示出硅晶体结构在(001)面上的投影图。可以看出垂直于[001]面的四次螺旋轴41表示旋转90°后沿[100]轴的平移1/4周期,晶体结构不变(图1.17(a)中只画出一条)。四次螺旋轴旋轴方向有两类,以图(右旋)和(左旋)表示。在[100]和[010]方向也有四次螺旋轴。硅晶体结构中的滑移反映面属d 类,其平移方向与距离分别为1/4(a±c),1/4(a±b),1/4(b±c),1/4(a±b±c)。按习惯符号,硅晶体的全部对称元素为3L 44L 36L 29PC 。但是,习惯符号没有给出对称元素的配置。现在使用通用国际符号,它能给出对称元素及其分布以及所属的晶系等大量信息。硅晶体对称性的国际符号为

m

m

243,表示沿3个<100>方向有四次轴;有垂直于L 4的3个对称面m ;沿4个<111>方向有三次旋转反演轴(3或L 3);沿6个<110>方向有二次轴(L 2);并且垂直于每个L 2有1个对称面。

1.2.4 硅的表面结构

对表面原子排列最粗略的描述是理想表面,即在无限晶体中插入一个假想平面(表面平面),将晶体切成两半而不引起原子排列和电子分布的任何变化的表面。理想表面的二维晶格可由体内三维晶格推断。几种立方结构的低指数理想表面结构见表l .6。

表1.6 几种晶型的理想表面结构

注:a为体晶格参数,γ为二维晶格基矢a s与b s夹角,a为三维晶格棱边与a s夹角。

低能电子衍射(LEED)是分析表面晶体结构最有效的工具。低能(30~200eV)电子穿透能力低(深度≤1nm),散射截面大,对表面分析的灵敏度高。用LEED测定表明,体内的晶体结构并非无改变地延续到表面层,实际表面由于在垂直方向上平移对称性的中断,表面层原子排列发生变化,出现表面弛豫和表面重构,如图1.18所示。

简单的弛豫方式是垂直于表面的原子层间距改变,大多数晶体(如Ni{001},Al{111})为膨胀弛豫。离子晶体LiF{100}面在573K弛豫时,Li+下移得多,F-下移得少,从而形成相距0.025nm 的两个子层,产生负端在外的表面电偶层。

对于许多半导体和少数金属,弛豫情况复杂,不仅原子层之间的垂直距离变化,而且改变了平行于表面方向上的平移对称性,往往形成与理想表面不同的周期成倍加大的二维超晶格,即发生表面重构。表面重构可用变换矩阵描述,即

式中,a、b是理想表面二维晶格基本矢量,a s、b s为重构晶格的基本矢量,M为二阶变换矩阵。

两套晶格的单元网格面积由M的行列式联系

用LEED可以确定表面重构。衍射图是倒易晶格的直接映象,而倒易矢量反比于晶面间距。在衍射图中除了属于体内各晶面的斑点外,还有一些标定指数为分数的斑点,即属于重构超品格。从两套倒品格的变换矩阵G

即可求出正品格重构变换矩阵M,M=G-1。

也可用伍德缩写式描述,即

式中:R表示材料的化学符号,(hkl)是表面所对应的晶面密勒指数,α是a s 与a之间的夹角。当两套

晶格平行时,α可从略。有时还在前加上字母C以表示习惯采用的有心单元网格。表l.7 列出硅的表面重构例子。

表1.7硅晶体表面重构的例子[4]

对硅表面的原子结构已进行了广泛的研究。其中,又以制作器件时常用的{100}表面的原子结构最受重视。Si{100}表面的重构为2×1,即两个表面基矢中,一个等于体内基矢的2倍,另一个与体内相等。人们对Si{100}2×1重构提出了多种模型,一般认为非对称的配对模型基本正确。Si的自然解理面{111}也是被广泛研究的表面之一。当晶体在真空中被劈开时,Si{111}为2×1重构,这是一种亚稳结构,在600℃下退火后不可逆地转变为7x 7重构。Si{111}7×7是一个非常复杂的表面原子重构。多年来,使用各种分析手段对这个重构模型进行了研究。现在人们接受了配对-吸附-层错(DAS)模型。Si{111}的1×1重构在800℃表面淬火后出现。Si还有一个很稳定的表面{113},在高真空中经过高于750℃退火,再冷却至室温后,可获得非常稳定的3×2重构。

1.3 硅的半导体性质

上节主要讨论了硅晶体的化学键和晶体结构,表明硅晶体具有典型的共价键性质,即sp3杂化轨道上的两个电子完全为相关的两个硅原子所共有,这种电子云将这两个硅原子联结起来。四个等同的杂化轨道,决定了硅的金刚石型结构,从而定性地阐述了硅的半导体性质。

本节将讨论硅晶体的电子能带问题,能带理论是半导体的基础理论,可以进一步阐述半导体的许多性质。

1.3.1 硅晶体的能带结构

研究晶体中的电子运动,在量子力学中属于多粒子问题。由于原子、电子数目十分巨大,要想求得薛丁格方程的精确解十分困难。因此,采用了各种近似方法,主要有单电子近似(哈特利一福克近似)、紧束缚和自由电子近似等方法。每种方法都在特定条件下有它的用途,但并不存在完全通用的方法。虽然对于具体的材料,可以得到能带结构的一般形式,但要计算出导带和价带的精确结构却是困难的,它们往往包含一些重叠的带。现在,随着计算方法的研究发展,以及大容量高运算速率的电子计算机功能的增大,有关能带理论的精确计算也在不断取得新的进展。

下面主要介绍单电子近似,因为对它研究最早,有关概念已经成为能带理论的发展基础。绝热近似、单电子近似和库普曼定理是研究晶体中电子运动的基础。绝热近似可以把晶体中离子的运动和电子运动分开处理,即将点阵粒子固定在平衡位置来研究电子运动。在此基础上,单电子近似认

为电子在周期性势场中的运动可以看作是独立的、在一个等效势场中的运动。我们更关心的是晶体中的价电子,为此要决定一个价电子运动的等效势场,包括离子实的势场和其他价电子的平均势场,以及考虑电子波函数因泡利不相容原理所要求的反对称化而带来的交换作用。这就是哈特利一福克自洽场方法,它的方程具有单电子薛丁格方程的形式。晶体中单电子波函数ψi

满足

根据库普曼定理,把方程中的本征值E i理解为单电子能量。式中V(r)是等效势场,具有晶格周期性。为简单起见,选取晶体为立方体晶胞(d1,d2,d3),并选取正交坐标系(x,y,z)。于是

d为任意点阵矢量

式中d1,d2,d3是点阵的基矢,n1、n2、n3为整数。

布洛赫证明了方程(1.15)的解具有一般形式

这就是布洛赫定理。形式如(1.18)的波函数称为布洛赫函数。u i(r)是点阵周期性函数。布洛赫波函

数表明电子在晶体中呈周期性分布,因为它正于

单电子能量

对于各个s,W s(k)的最小值到最大值的能量范围称为一个能带。

1.能带与带隙

式(1.19)中波矢k是表征电子状态的一个量子数,其分量为k x,k y,k z。能量E(k)是以2π/d l,2π/d2,2π/d3为周期的k x,k y,k z的周期性函数,因而,可以把k限制在k空间的一定区域中,通常选取k 空间中心的最小体积,其形状与晶体结构有关,称这个最小k空间为第一布里渊区。

如图l.19所示。以一维晶格为例,晶体中电子在具有晶格周期性的势场中运动,能量状态和

本征值可以用波矢k和自旋取向标记,能量本征值E(k)也相应地在布里渊区内连续变化,而在布里渊区边界,能量本征值E(k)会出现不连续。计算表明,布里渊区里k的数目等于晶体内原胞数目。相应于这些状态,在E(k)能量的有限范围内,有等于原胞数目的大量能级。由于数目十分巨大,能量近似于连续分布。晶体中电子状态的能量E(k)的取值范围,称为能带。考虑到电子自旋和泡利不相容原理,每个能带可以容纳数目为晶体元胞数目二倍的电子。相邻两能带之间,存在一个没有电子状态的能量范围,称为带隙或者禁带。有些实际晶体存在能带交叠。图l.20表示金刚石结构的布里渊区,布里渊区的边界是由满足布拉格反射条件:

的k 所构成的几个平面。对于由N 1a ,N 2b ,N 3c 所构成的有限体积的晶体,运用周期性边界条件,可以证明,在布里渊区中,k 有N 1N 2

N 3个,而且各个状态是独立的,

各个能带中的状态数等于玻恩-卡曼体积中的晶格结点数。

晶体的能带反映了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样一种特征。设想固体中各个原子之间没有相互作用,相距较远,彼此孤立,那么,许多电子都处在相同的能级上。由于原子之间通过电子,特别是外层电子的相互作用,改变了独立原子中电子的能量,N 个孤立原子的一个能级扩展或分裂成N 个间隔很近的能级,组成一个能带,如图l .21所示。

但是,有些晶体中,并非所有能带都与孤立原子能级相对应,此时,需用其他近似方法计算该晶体的能带结构。

知道了晶体能带状况,结合电子系统的费米统计分布律,就可以获得固体中电子在各个能带中能态的排布,并进而了解电子在能态之间的跃迁和变化。这样可以解释固体的许多性质,例如在电磁场或辐照等外加影响下电子在同一能带或不同能带的各态之间的跃迁。电子与晶格振动之间的相互作用,可以把某一能带中的电子散射到能量变化不大但动量却有很大改变的一些态上,这种散射正是金属电阻的主要原因之一。电子在不同能带之间跃迁,动量和能量必须守恒。由于光子动量很小,电子与光子碰撞前后的动量几乎相等。因此,只有当存在与初态相隔能量为hν(ν是光的频率)、动量与初态几乎相同的能态时,光的吸收才有可能。这就是直接跃迁,

这种跃迁导致半导体在光谱的可见光区和近红外区的大部分吸收。

2.导体和非导体的能带模型

能带理论可以说明导体、半导体和绝缘体

的区别,如图l .22所示。金属导体有被电子部分

占据的能带,称为导带。在导带中,空态的能量

与被占态的能量相连接。能带填充情况很容易

被外电场作用所改变,表现出良好的导电性。

半导体和绝缘体在T=0K 时电子恰好填

满较低的一系列能带,其余能带全空着。最高被

填充的能带与其上的空带之间隔着禁带(带

隙)。外电场很难改变能带填充状况,因而不产

生电流。在T ≠0K 时,由于半导体的禁带宽度

较窄,一般在1~2eV 左右,会有少量电子从最高的满带(即价带)跃迁到空带(即导带),成为导电电子,同时价带中出现少量空穴,自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动,因此,半导体具有一

定的导电性。绝缘体的禁带较宽,这种热激发很少,所以导电性很差。

能带结构中有直接带隙和间接带隙的区分,如图1.23所示。不同材料的价带结构大致相似,价

带顶位于k=0处;但导带底的位置却因材料不同有较大的差异。当半导体的导带底和价带顶都位于k=0处,称为直接带隙半导体(例如,GaAs,InSb,InP等)。另一类半导体的导带底不在k=0 处,例如Si的导带底位于<100>方向,这类半导体称为间接带隙半导体。由于电子在跃迁过程中要同时满足能量守恒和动量守恒,而光子动量要比电子动量小很多,可近似认为跃迁前后电子的波矢k不变。因而在直接带隙材料中,导带底和价带顶之间的电子跃迁可以竖直地进行(忽略光子动量),这种光跃迁过程称为直接跃迁,它的跃迁几率较大。一般来说,这类半导体材料是良好的发光材料。而在间接带隙材料中(例如Si,Ge等),导带底和价带顶之间的光跃迁涉及到电子准动量k的变化,必须具有适当动量的声子参与,和不需要声子参与的直接跃迁相比,这种二级过程的跃迁几率要小得多。因此,间接带隙材料的直接辐射复合系数和吸收边附近的吸收系数都要比直接带隙材料小得多。GaAs由于有高的直接辐射系数,可作为半导体激光器的材料。与此相比,Si的间接带隙是它不能成为发光材料的根本原因。

有关常见半导体的能带结构,已经有大量实验资

料。通过回旋共振可以测量半导体中的电子和空穴的有

效质量,测定半导体中基本吸收开始处的波长,可以

确定禁带最小宽度。在半导体中,远离费米能级的那些

能态可以用萤光光谱方法测定。

现在,对于各种晶体的能带结构的理论计算尚需实

验配合,以验证计算结果,或者为计算确定一些经验参量。

3.硅晶体的能带结构和等能面

图1.24是Si晶体的能带结构。该能带图是在第一

布里渊区内k空间[111]和[100]方向,以k=0为原点画出

的。最低谷(即导带最小值)在[100]方向的布里渊区内的

点上,在导带底附近因此有六个极小值。等能面是旋

转椭球,如图1.25所示。长轴在[100]方向,短轴与[l00]

垂直。电子横向有效质量m n﹡⊥=(0.98±0.04)m0,电子纵向

有效质量m n﹡‖=(0.19±0.01)m0,m0为电子惯性质量。另外两

个能谷距离较远。硅的电学性质主要由[l00]方向上的最

低能谷决定,导带底与价带顶之间为禁带E g,在0K,

E g=l.66eV,在300K,E g=l.11eV。

半导体材料硅的基本性质

半导体材料硅的基本性质 一.半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类:绝缘体、半导体及导体,它们典型的电阻率如下: 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体,它们的定义如下: 元素半导体:由一种材料形成的半导体物质,如硅和锗。 化合物半导体:由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体,它们的定义分别为: 本征半导体:当半导体中无杂质掺入时,此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体:当半导体被掺入杂质时,本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质,按释放载流子的类型分为施主与受主,它们的定义分别为: 施主:当杂质掺入半导体中时,若能释放一个电子,这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主:当杂质掺入半导体中时,若能接受一个电子,就会相应地产生一个空穴,这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。

图1.1 (a)带有施主(砷)的n型硅 (b)带有受主(硼)的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体,如掺磷的硅。 由于施主释放电子,因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子(简称多子),而空穴为少数导电载流子(简称少子)。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体,如掺硼的硅。 由于受主接受电子,因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子(简称多子),而电子为少数导电载流子(简称少子)。如图1.1所示。 二.硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体,是电子工业的基础材料,其物理化学性质(300K)如表1所示。

硅及其化合物性质的“反常”

华夏学校 高一化学知识小卡片(03) _____班姓名_________ 知识点:硅及其化合物性质的“反常”(一) 1、硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从二氧化硅中还原出硅:SiO2+__C ____________。当C过量,该反应生成SiC,化学方程式为:_________________________,其中氧化剂与还原剂的质量比为:________。 2、非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成。Si+__HF=______________; 3、非金属单质与碱液反应一般不放出氢气,而硅却能与强碱反应生成H2,化学方程式为:Si+__NaOH+__H2O=______________________; 4、非金属单质—般为非导体,但硅为__________; 5、虽然SiO2是硅酸的酸酐,但不能用SiO2与水反应制备硅酸,只能用可溶性硅酸盐和酸作用来制备。 Na2SiO3+__HCl=____________________; 6、非金属氧化物一般是分子晶体,而SiO2却是__________,一个Si原予跟____个O原子成键,一个O原子跟____个Si原子成键,30g SiO2中含Si-O键______mol。 知识点:硅及其化合物性质的“反常”(二): 7、酸性氧化物一般不与酸反应(除氧化还原反应外),而SiO2却能与HF反应;SiO2+__HF =_______________ 8、无机酸一般易溶于水,而原硅酸和硅酸却____溶于水; 9、因H2CO3的酸性大于H2SiO3的酸性,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应: Na2SiO3+CO2+2H2O=__________________________; 但在高温下Na2CO3+SiO2 ___________也能发生。 10、Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃,但它与玻璃的成分大不相同。硅酸钠也叫泡花碱,但它是盐不是碱。 普通玻璃成分是:_________、_________、_________,钢化玻璃的成分和普通玻璃成分______(填“相同”或“不同”),石英玻璃与玻璃成分却不同,水晶玻璃的成分是_________。 11、通常所说的某酸盐为一种 ..酸根的盐,而硅酸盐却是多种硅酸的盐的总称。大多数硅酸盐可以写成氧化物的形式:例如 硅酸钠Na2SiO3;_________ 镁橄榄石Mg2SiO4:_________

材料化学总结

第一章绪论 ●材料和化学药品 化学药品的用途主要基于其消耗; 材料是可以重复或连续使用而不会不可逆地变成别的物质。 ●材料的分类 按组成、结构特点分:金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料 按使用性能分:Structural Materials ——主要利用材料的力学性能;Functional Materials ——主要利用材料的物理和化学性能 按用途分:导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、电子信息材料、感光材料等等●材料化学的主要内容:结构、性能、制备、应用 第二章材料的结构 2.1 元素和化学键 ●了解元素的各种性质及其变化规律:第一电离能、电子亲和势、电负性、原子及离子半径 ●注意掌握各种结合键的特性及其所形成晶体材料的主要特点 ●了解势能阱的概念: 吸引能(attractive energy,EA):源于原子核与电子云间的静电引力 排斥能(repulsive energy,ER):源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥 总势能(potential energy):吸引能与排斥能之和 总势能随原子间距离变化的曲线称为势能图(势能阱) 较深的势能阱表示原子间结合较紧密,其对应的材料就较难熔融,并具有较高的弹性模量和较低的热膨胀系数。 2.2 晶体学基本概念 ●晶体与非晶体(结构特点、性能特点、相互转化) 晶体:原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成(长程有序) 非晶体:原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成(长程无序、短程有序) 晶态与非晶态之间的转变 ? 非晶态所属的状态属于热力学亚稳态,所以非晶态固体总有向晶态转化的趋势,即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶,转化到稳定性更高的晶体状态。 ? 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。 ●晶格、晶胞和晶格参数 周期性:同一种质点在空间排列上每隔一定距离重复出现。 周期:任一方向排在一直线上的相邻两质点之间的距离。 晶格(lattice):把晶体中质点的中心用直线联起来构成的空间格架。 结点(lattice points):质点的中心位置。 空间点阵(space lattice):由这些结点构成的空间总体。 晶胞(unit cell):构成晶格的最基本的几何单元。 ●晶系 熟记7个晶系的晶格参数特征 了解14种空间点阵类型 ●晶向指数和晶面指数 理解晶面和晶向的含义 晶面——晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面,即结晶多面体上的面。

2017高中化学知识点:硅及其化合物的性质与应用

2017高中化学知识点:硅及其化合物的性质与应用 2017高中化学知识点:硅及其化合物的性质与应用 一、硅及其化合物的性质 1.碳族元素的主要化合价是“+2”、“+4”价,而硅通常表现为“+4”价。 2.非金属单质一般为非导体,但硅却为半导体。 3.在通常情况下,硅的化学性质不活泼,但在自然界里却没有单质硅存在。 4.非金属氧化物一般为分子晶体,而SiO2却为原子晶体。 5.非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅却能够与氢氟酸反应,且有氢气生成。 Si+4HF===SiF4↑+2H2↑ 6.非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气,但硅与强碱溶液反应却生成氢气。 Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑ 7.硅的还原性比碳强,但碳在高温下却能从二氧化硅中还原出硅。这是因为在高温时,非水体系的反应有利于有气体生成的方向进行。2C+SiO2Si+2CO↑。 8.SiO2不溶于水,但其是硅酸的酸酐,因此硅酸不能用SiO2直接与水反应制得,只能采用可溶性硅酸盐与酸作用生成,如Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓。 9.CO2属于分子晶体,通常状况下是气体,但SiO2却是立体网状结构

的原子晶体,因此二者的物理性质相差很大。 10.酸性氧化物一般不与酸反应,但二氧化硅却能与氢氟酸反应,生成四氟化硅和水。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O,雕花玻璃就是利于该反应原理在玻璃上进行蚀刻制得的。 11.无机酸一般易溶于水,而硅酸和原硅酸却难溶于水。 12.在水溶液中,碳酸的酸性比硅酸强,因此二氧化碳能与硅酸钠反应生成碳酸钠和硅酸沉淀。 CO2+Na2SiO3+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓,但在高温下碳酸钠与二氧化硅却能反应生成硅酸钠和二氧化碳, SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑,其原因是在高温条件下生成的二氧化碳离开反应体系而使反应进行到底。 13.硅酸钠的水溶液俗称泡花碱或水玻璃,但它与玻璃的成分不同,其本身是盐溶液,不是碱溶液。 二、硅及其化合物的应用 【例题1】硅是带来人类文明的重要元素之一,它伴随着人类历史发展的脚步,在从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。下列有关硅及其化合物的说法中正确的是 A.自然界中存在硅晶体,它是电子工业中重要的半导体材料 B.砖瓦、水泥、、有机玻璃都是硅酸盐产品 C.制造普通玻璃的主要原料是黏土和石灰石 D.二氧化硅可制成光导纤维,也可制成光学镜片

九年级化学《金属和金属材料》金属的化学性质知识点整理

金属的化学性质 一、本节学习指导 本节知识比较复杂,学习时一定要多思考,另外多做些练习题。金属的化学性质在生活中应用也很广泛,比如防止护栏被腐蚀、存放物品容器的选择等等,还可以帮助我们识别生活的骗局哦,比如识破“钛圈”广告宣传说可以治疗颈椎病。本节有配套免费学习视频。 二、知识要点 1、大多数金属可与氧气的反应 金属在空气中在氧气中 镁常温下逐渐变暗。点燃,剧烈燃烧,发出耀眼的白光, 生成白色的固体点燃,剧烈燃烧,发出耀眼的白光,生成白色的固体2Mg + O2点燃 2MgO 铝常温下表面变暗,生成一种致密的氧化膜点燃,剧烈燃烧,发出耀眼的白光,生成白色的固体4Al + 3O2点燃2Al2O3 铁持续加热变红点燃,剧烈燃烧,火星四射,生成黑色的固体 3Fe + 2O2点燃Fe3O4 铜加热,生成黑色物质;在潮 湿的空气中,生成铜绿而被 腐蚀 加热生成黑色物质2Cu + O2加热 2CuO 银金即使在高温时也不与氧气发生反应 注:①由于镁燃烧时发出耀眼的白光,所以可用镁做照明弹和烟花。 ②常温下在空气中铝表面生成一层致密的氧化物薄膜,从而阻止铝的进一步被氧化, 因此,铝具有较好的抗腐蚀能力。 ③大多数金属都能与氧气反应,但是反应难易和剧烈程度不同。Mg,Al常温下就能反应,而Fe、Cu在常温下却不和氧气反应。金在高温下也不会和氧气反应。 ④可以利用煅烧法来鉴定黄铜和黄金,过程中如果变黑则是黄铜,黑色物质是氧化铜。

2、金属 + 酸→盐 + H2↑【重点】 锌和稀硫酸Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑ 铁和稀硫酸Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑ 镁和稀硫酸Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2↑ 铝和稀硫酸2Al +3H2SO4 = Al2(SO4)3 +3H2↑ 锌和稀盐酸Zn + 2HCl=== ZnCl2 + H2↑ 铁和稀盐酸Fe + 2HCl=== FeCl2 + H2↑ 镁和稀盐酸Mg+ 2HCl=== MgCl2 + H2↑ 铝和稀盐酸2Al + 6HCl == 2AlCl3 + 3H2↑ 注:根据不同金属和同一种酸的反应剧烈程度可以判断金属的活动顺序,越剧烈说明此金属越活跃。 规律:等质量金属与相同足量酸完全反应所用时间越少,金属反应速度越快,金属越活泼。 3、金属 + 盐→另一金属 + 另一盐(条件:“前换后,盐可溶”)【重点】 (1)铁与硫酸铜反应:Fe+CuSO4==Cu+FeSO4 现象:铁条表面覆盖一层红色的物质,溶液由蓝色变成浅绿色。 (古代湿法制铜及“曾青得铁则化铜”指的是此反应) (2)铝片放入硫酸铜溶液中:3CuSO4+2Al==Al2(SO4)3+3Cu 现象:铝片表面覆盖一层红色的物质,溶液由蓝色变成无色。 (3)铜片放入硝酸银溶液中:2AgNO3+Cu==Cu(NO3)2+2Ag 现象:铜片表面覆盖一层银白色的物质,溶液由无色变成蓝色。 (4)铜和硝酸汞溶液反应:Cu + Hg(NO3)2 === Cu(NO3)2 + Hg 现象:铜片表面覆盖一层银白色的物质,溶液由无色变成蓝色。 注意:CuSO4溶液时蓝色,FeSO4是浅绿色。 4、置换反应【重点】 (1)有一种单质与一种化合物反应,生成另一种单质和另一种化合物的反应叫置换反应。 (2)特征:反应物和生成物都是:单质+化合物====单质+化合物 (3)常见类型:

硅及其化合物教案

无机非金属材料的主角──硅教学设计(1) 教学目标: 【知识与技能】 1.了解硅元素在自然界中的存在形式; 2.知道二氧化硅的性质; 3.了解硅酸的性质及制法,了解硅酸钠的性质; 4.知道硅、二氧化硅的在信息技术、材料科学等领域的应用。 【过程与方法】 1.帮助学生学习运用对比的方法来认识物质的共性和个性,促进学生对新旧知识进行归纳比较能力的发展。 2.通过硅及其化合物等内容体现从物质的结构猜测物质的性质,推出物质的用途的思维过程,建构“结构——性质——用途”学习的共同模式,。 3.本节多数内容属于了解层次,部分段落阅读自学,提高的阅读能力、收集资料能力、自学能力和语言表达能力。 【情感态度与价值观】 1.用硅给现代人类文明进程所带来的重大影响(从传统材料到信息材料),为学生构架一座从书本知识到现代科技知识和生活实际的桥梁。开阔学生眼界,提高科技文化素养,理解更多的现代相关科学理论与技术; 2.促进学生逐渐形成正确的科学社会观,学生认识到“科学技术是第一生产力”,关心环境,资源再生及研究、探索、发现新材料等与现代社会有关的化学问题,提高学生社会责任感。【教学重点】二氧化硅的主要化学性质。 【教学难点】二氧化硅晶体结构 【教学过程】 [导课]问题: [问题]:请简要阅读课文后回答课文标题中“无机非金属材料的主角-硅”“主角”两个字在这里的涵义是什么?(学生回答:硅含量仅次于氧,硅的氧化物和硅酸盐构成地壳的主要部分) [板书]第四章非金属元素及其化合物 [板书]§4-1无机非金属材料的主角-硅 [讲述]硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中的大部分岩石、沙子和土壤,约占地壳质量90%以上。各种各样的硅酸盐和水、空气和阳光构成了人类及生物生存的根基。自古至今,在无机非金属材料中,硅一直扮演着主角的角色。 [问题]碳和硅元素结构上又和碳有什么不同?推测硅单质的性质有哪些? [学生阅读]P74中间自然段。 [回答]硅位于元素周期表ⅣA,与碳元素同族。原子最外层均有四个电子。硅同 碳元素一样,其原子即不容易失去电子又不容易得到电子,主要形成四价的化合物。其中二氧化硅是硅的最重要的化合物。“最重要”三个字是如何体现呢?接下来具体进行了解二氧化硅有关性质。 [板书]一、二氧化硅和硅酸 [投影]金刚石、晶体硅、二氧化硅的晶体模型及水晶标本。

硅的性质及其作用

硅的性质及其作用 马锐5071109033 F0511002 摘要:介绍了硅的很多物理和化学性质,还有当前硅的一些主要应用方面和硅在当今社会发展中的作用。 关键词:硅,晶体,化合物,反应。 正文:1823年,瑞典化学家贝采利乌斯用金属钾还原四氟化硅,得到了一种单质——硅。因为这种单质才让我们的生活发生了翻天覆地的变化。 硅,元素符号Si,源自英文silica,原子序数14,相对原子质量28.09,有无定形和晶体两种同素异形体,主要以化合物(二氧化硅和硅酸盐)的形式存在,硅约占地壳总重量的27.72%,其丰度仅次于氧。 已发现的硅的同位素共有12种,包括硅25至硅36,其中只有硅28,硅29,硅30是稳定的,其他同位素都带有放射性,其中28Si 92.23 %,29Si 4.67 %,30Si 3.1 %。 以下是硅的一些性质。 原子半径(计算值):110(111)pm ,共价半径:111 pm ,范德华半径:210 pm ,价电子排布:[氖]3s23p2 ,电子在每能级的排布2,8,4 ,氧化价(氧化物):4(两性),晶体结构:面心立方。电负性:1.90(鲍林标度),比热:700 J/(kg·K),电导率:2.52×10-4 /(米欧姆) ,热导率:148 W/(m·K),第一电离能:786.5 kJ/mol ,第二电离能:1577.1 kJ/mol。核磁公振特性:核自旋为1/2。密度:2330 kg/m3,硬度:6.5 。颜色:深灰色、带蓝色调,熔点:1687 K(1414 °C),沸点:3173 K(2900 °C),摩尔体积:12.06×10-6m3/mol ,汽化热:384.22 kJ/mol ,熔化热:50.55 kJ/mol,蒸气压:4.77 帕(1683K)。 硅在常温下不活泼,其主要的化学性质如下: (1)与非金属作用 常温下Si只能与F2反应,在F2中瞬间燃烧,生成SiF4. Si+F2 === SiF4 加热时,能与其它卤素反应生成卤化硅,与氧反应生成SiO2: Si+2X2=== SiX4 (X=Cl,Br,I) Si+O2 ===SiO2 (SiO2的微观结构) 在高温下,硅与碳、氮、硫等非金属单质化合,分别生成碳化硅SiC、氮化硅Si3N4和硫化硅SiS2等. Si+C=== SiC 3Si+2N2 === Si3N4 Si+2S ===SiS2 (2)与酸作用 Si在含氧酸中被钝化,但与氢氟酸及其混合酸反应,生成SiF4或H2SiF6: Si+4HF ===SiF4↑+2H2↑ 3Si+4HNO3+18HF === 3H2SiF6+4NO↑+8H2O (3)与碱作用 无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐,并放出氢气: Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑ (4)与金属作用 硅还能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合,生成相应的金属硅化物。 硅的作用及用途。

材料化学习题答案(完整版)

第二章 2.1 扩散常常是固相反应的决速步骤,请说明: 1) 在用MgO 和32O Al 为反应物制备尖晶石42O MgAl 时,应该采用哪些方法加快 固相反应进行? 2) 在利用固相反应制备氧化物陶瓷材料时,人们常常先利用溶胶-凝胶或共沉 淀法得到前体物,再于高温下反应制备所需产物,请说明原因。 3) “软化学合成”是近些年在固体化学和材料化学制备中广泛使用的方法,请 说明“软化学”合成的主要含义,及其在固体化学和材料化学中所起的作用 和意义。 答: 1. 详见P6 A.加大反应固体原料的表面积及各种原料颗粒之间的接触面积; B.扩大产物相的成核速率 C.扩大离子通过各种物相特别是产物物相的扩散速率。 2. 详见P7最后一段P8 2.2节一二段 固相反应中反应物颗粒较大,为了使扩散反应能够进行,就得使得反应温度 很高,并且机械的方法混合原料很难混合均匀。共沉淀法便是使得反应原料在高 温反映前就已经达到原子水平的混合,可大大的加快反应速度; 由于制备很多材料时,它们的组分之间不能形成固溶的共沉淀体系,为了克 服这个限制,发展了溶胶-凝胶法,这个方法可以使反应物在原子水平上达到均 匀的混合,并且使用范围广。 3. P22 “软化学”即就是研究在温和的反应条件下,缓慢的反应进程中,采取迂回 步骤以制备有关材料的化学领域。 2.2 请解释为什么在大多数情况下固体间的反应很慢,怎样才能加快反应速 率? 答:P6 以MgO 和32O Al 反应生成42O MgAl 为例,反应的第一步是生成42O MgAl 晶核, 其晶核的生长是比较困难的,+2Mg 和+3Al 的扩散速率是反应速率的决速步,因 为扩散速率很慢,所以反应速率很慢,加快反应速率的方法见2.1(1)。 第三章 (张芬华整理) 3.1 说明在简单立方堆积、立方密堆积、六方密堆积、体心立方堆积和hc 型堆 积中原子的配位情况。 答:简单立方堆积、 6 立方密堆积、 12

硅及其化合物

硅及其化合物的性质和(硅酮)应用 作者:童丹璐 【摘要】 硅及其化合物在物理性质及化学性质方面均具有其明显的特点,从而使其在电子、 汽车、电气、建筑、纤维产业直至日常生活中均具有广泛应用。本文将从硅及其化合物的性 质和应用等方面进行全面的介绍,使读者对它们有更深入的了解。 【关键词】 硅 二氧化硅 硅酸盐 硅酸 硅酮 (Silicon )的学名来自拉丁文Silex,意为燧石。地壳中硅的含量极为丰富,其 元素丰度在20%以上。居地壳元素丰度第二位。常温下硅的化学性质非常稳定, 但在自然界中它却从不以单质形式出现。自然界硅的存在形式主要是硅酸盐和二氧化硅。 硅酸盐在地壳的分布极广,其中包括云母石、长石、沸石及石榴石等矿物。而遍布地 表的粘土则是多种硅酸盐的集合体。自然界的二氧化硅通常以晶体的形态出现。 花岗岩、 正长岩、纹岩、石英岩、碧玉、红玉髓、蛋白石及燧石等的主要成分都是二氧化硅,并且 几乎所有变质岩中都混有硅石。此外,二氧化硅也是常见砂石的主要成分。 尽管硅的化合物(如硅酸盐和二氧化硅)早已为人们所熟知,但直到1823年,Berzelins 才用钾还原氧硅酸钾: Si KF K SiF K +→+6462, 得到了硅单质。是什么原因导致硅元素的提取如此困难?答案大致可分为以下两方面:其 一,天然硅酸盐具有高度化学惰性,几乎不为一般化学试剂所侵蚀;其二,这类硅酸盐的 组成与结构十分复杂,不易认识。种种原因导致对硅元素的研究迟迟未能展开。因此,严 格地说,硅化学应属于近代化学之范畴。 天然硅由28Si,29Si 及30Si 三种稳定同位素组成,它们的同位素丰度分别为:28Si 92.23%;29Si 4.67%;30Si 3.1%,平均原子量为28.086。此外,已经发现的硅同位素还有25Si 、 26Si 、27Si 、31Si 、32 Si 、33 Si 、35 Si 和36 Si 等八种放射性同位素。自然界并不存在硅的放 射性同位素,都是人工合成的。基于硅的核稳定性,天然硅平均热中子吸收截面只有0.16 靶。由于硅的这一特性,核反应堆工艺中常利用硅合金作为铀棒与保护铝罐的焊接材料, 借以增强铀棒的抗腐蚀性能。 常温下,硅单质的唯一存在形式是晶态固体,硅晶体属于立方晶系并具有金刚石型晶体 结构。这种晶体结构的特征是晶格中任一硅原子的周围都对称而等距的分布着另四个硅原 子,这是硅单质常温下存在的唯一晶型。硅单晶的颜色灰黑具有闪亮金属光泽。由于所属晶 型的牢固性及晶格中Si —Si 共价键的强度,硅晶体质地坚硬而有脆性(硅晶粒的硬度约与 普通砂粒相当)。硅晶粒在重击下容易碎裂,与金刚石的行为相近。由于结构上的原因,硅 单质的熔融与蒸发都比较困难,故相应的熔点及沸点很高。 硅同时兼有本征导体与非本征导体的性质。所谓本征导体乃指高纯硅本身,即为一种半 导体。非本征半导体是指硅材料中由于掺入外来杂质而成为半导体,即所谓“外赋”半导体。 常用的掺杂元素有B ,Ga ,Al 与In (p 型杂质)以及As ,P 与Sb (n 型杂质)。杂质浓度N (单位体积内杂原子数)与半导体导电率α=eN μ。 此处e 为电子电荷,μ为截流子迁移率。 常温下硅的化学性质极其稳定,纯硅或熔结的工业用硅可经久储存而不变质。超纯硅样 品虽经多年应用,仍能保持其闪亮,蓝灰色外观,不留刻痕,也不失去光泽。然而处于高温, 硅的性质立即变得十分活泼,它可以同空气中的氧甚至氮发生反应,生成相应的氧化物和氮 化物。当硅处于熔态时,它几乎能跟所有金属氧化物、硅酸盐以及铝酸盐发生反应,夺取这 硅

硅溶胶的性质及用途

HX- HX-是胶体二氧化硅的简称,其基本成分是无定型二氧化硅,并以10~20纳米的粒径均匀地分散于水中。其外观为乳白色或青白色半透明状胶体溶液,是一种良好的无机粘结剂,具有无毒、无味、耐高温、隔热、绝缘性能好、比表面积大、吸附力强、热膨胀系数低等优点。 二、的性能 1、具有较大的吸附性:硅溶胶中无数胶团产生的无数网络结构孔隙,在一定的条件下对无机物及有机物具有一定的吸附作用。 2、具有较大的比表面积:比表面积一般为250~300平方/g。 3、具有较好的粘结性:因其胶团尺寸均匀,并在10~20nm左右,自身风干即产生一定的粘接强度,但强度较小。如将硅溶胶加入某种纤维或粒状材料中,然后干燥固化即可成坚硬的凝胶结构,会产生较大的粘接性(一般46.7Kg/cm2左右)。 4、具有良好的耐温性:一般可耐1600℃左右。 5、硅溶胶具有较好的亲水性和憎油性:可以用蒸馏水稀释至任意浓度,而且随稀释度的增加而稳定性增强。但加入有机物或多种金属离子中又可产生憎水性。 6、硅溶胶具有“高度的分散性”,“较好的耐磨性”和良好的“透光性”等。因此,可作为良好的“分散剂”,“防腐剂”,“絮凝剂”,“冷却剂”和特殊的“光学材料”等。 三、的用途 1、应用于精密铸造业:代替硅酸乙脂使用,无毒性;不仅可以降低成本,用于制作零件,尺寸精确度高,铸件光洁度好,可使壳型强度大,造型比使用水玻璃质量好;用于铸模的耐高温涂料,可以使涂层具有较好的耐热性,减少高温下熔融金属与模具的损耗,并有助于脱模。 2、应用于涂料行业,能够使涂料牢固,具有耐水、耐火、耐污、耐高温、涂膜强度大、色泽艳丽、不褪色等优点。还可以应用于耐酸、耐碱、防火涂料和远红外线辐射涂料。 3、应用于耐火材料的粘结剂:具有粘结强度高、耐高温(1500~1600℃)等优点。 4、应用于纺织业:可以用做纺织上浆助剂,减少断头率;在织物染色中使用,因具有粘结性,可以形成优良的保护液,增加染色的附着力等等。

材料化学课后题答案

一.内蒙古科技大学材料化学课后题答案二.应用化学专业1166129108 三.什么是纳米材料? 答:所谓纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固体超细材料,或由它们作为基本单元构成的材料。 四.试阐述纳米效应及其对纳米材料性质的影响? 答: 1.小尺寸效应;使纳米材料较宏观块体材料熔点有显著降低,并使纳米材料呈现出全新的声,光,电磁和热力学特性。 2.表面与界面效应;使纳米颗粒表面具有很高的活性和极强的吸附性。 3. 量子尺寸效应;使纳米微粒的磁,光,热,电以及超导电性与宏观特性有着显著不同。 4. 宏观量子隧道效应;使纳米电子器件不能无限制缩小,即存在微型化的极限。 三.纳米材料的制备方法? 答:1.将宏观材料分裂成纳米颗粒。 2.通过原子,分子,离子等微观粒子聚集形成微粒,并控制微粒的生长,使其维持在纳米尺寸。 四.1.玻璃体:冷却过程中粘度逐渐增大,并硬化形成不结晶且没有固定的化学组成硅酸盐材料。 2.陶瓷:凡是用陶土和瓷土这两种不同性质的黏土为原料经过配料,成型,干燥,焙烧等工艺流程制成的器物都可叫陶瓷。 3.P-型半导体:参杂元素的价电子小于纯元素的价电子的半导体。 4.黑色金属:是指铁,铬,锰金属及它们的合金。 5.有色金属:除铁,铬,锰以外的金属称为有色金属。 6.金属固溶体:一种金属进入到另一种金属的晶格内,对外表现的是溶剂的晶格类型的合金。 7.超导体:具有超低温下失去电阻性质的物质。 五.1.简述传统陶瓷制造的主要原料? 答:黏土,长石,石英矿是制造传统陶瓷的主要原料。 2.陶瓷是否一定含有玻璃相? 答:并非所有的陶瓷材料都含有玻璃相,某些非氧特种陶瓷材料可以近乎100%的晶相形式存在。 3.试讨论超导体性质的形成原理及超导状态时所表现出来的特殊现象? 答:电子同晶格相互作用,在常温下形成导体的电阻,但在超低温下,这种相互作用是产生超导电子对的原因。温度越低所产生的这种电子对越多,超导电子对不能相互独立地运动,只能以关联的形式做集体运动。于是整个空间范围内的所有电子对在动量上彼此关联成为有序的整体,超导电子对运动时,不像正常电子那样被晶体缺陷和晶格振动散射而产生电阻,从而呈现无电阻的超导现象。物质处于超导状态时会表现出电阻消失和完全抗磁性现象。 4.简述形状记忆合金原理?

硅及其化学性质

硅及其化合物 硅(台湾、香港称矽xī)是一种化学元素,它的化学符号是Si,旧称矽。原子序数14,相对原子质量28.0855,有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,属于元素周期表上第三周期,IV A 族的准金属元素。硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(4 9.4%)。晶体硅为灰黑色,无定形硅为黑色,密度2.32-2.34g/cm-3,熔点1410℃,沸点2355℃,晶体硅属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。 硅有明显的非金属特性,可以溶于碱金属氢氧化物溶液中,产生(偏)硅酸盐和氢气。 硅原子位于元素周期表第IV主族,它的原子序数为Z=14,核外有14个电子。电子在原子核外,按能级由低硅原子到高,由里到外,层层环绕,这称为电子的壳层结构。硅原子的核外电子第一层有2个电子,第二层有8个电子,达到稳定态。最外层有4个电子即为价电子,它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。 正因为硅原子有如此结构,所以有其一些特殊的性质:最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构,这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合,由于共价键比较结实,硅具有较高的熔点和密度;化学性质比较稳定,常温下很难与其他物质(除氟化氢和碱液以外)发生反应;硅晶体中没有明显的自由电子,能导电,但导电率不及金属,且随温度升高而增加,具有半导体性质。 加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用,也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中,可溶于碱溶液中,并有氢气放出,形成相应的碱金属硅酸盐溶液,于赤热温度下,与水蒸气能发生作用。 [8] 分类:纯净物、单质、非金属单质。 (1)与单质反应:

硅及其化合物知识点复习

第二部分:【基本理论】替换PDF文件中的第二部分 一、碳、硅及化合物的关系网络 1、相互转化关系 2、硅的性质和制备: 物理性质:①硅在自然界中只有态,没有态。其含量在地壳中居第位,是构成矿 物和岩石的主要成分。②晶体硅为原子晶体。灰黑色,有金属光泽,硬而脆的固体,是半导体,具有较 ......................... 高的硬度和熔点。 ........ 化学性质:硅的化学性质不活泼。 ①常温下,只能与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应: Si + 2F2 =SiF4 、Si + 4HF =SiF4 + 2H2↑、Si + 2NaOH + H2O =。 ②在加热条件下,能与氧气、氯气等少数非金属单质化合:Si +O2 SiO2 制备:在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅:SiO2 +2C。 将制得的粗硅,再与C12反应后,蒸馏出SiCl4,然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。有关的反应为:Si 十2C12SiCl4、SiCl4 + 2H2Si + 4HCl 应用:①高纯硅可作材料;②晶体硅还可做光电转换材料及制作生物工程芯片。 3、二氧化硅的性质和应用: ①SiO2为晶体,是一种坚硬难熔的固体,硬度、熔点都很高。 ②二氧化硅的化学性质很稳定,不能跟酸(氢氟酸除外)发生反应。 ③二氧化硅是一种酸性氧化物,所以能跟碱性氧化物或强碱反应。 SiO2 + CaO CaSiO3 、SiO2 + 2NaOH =Na2SiO3 + H2O(碱溶液不能在使用磨口玻璃塞的试剂瓶中)

④二氧化硅是一种特殊的酸性氧化物。 a .酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸,但二氧化硅却不能直接跟水化合,它的对应水化物(硅酸)只能用相应的可溶性硅酸盐跟盐酸作用制得。 首先,让SiO 2和NaOH (或Na 2CO 3)在熔化条件下反应生成相应的硅酸钠:SiO 2+2NaOH ;然后,用酸与硅酸钠作用制得硅酸:Na 2SiO 3+2HCl === 。 b .酸性氧化物一般不跟酸作用,但二氧化硅却能跟氢氟酸起反应:SiO 2+4HF =SiF 4+2H 2O ④光导纤维:从高纯度的SiO 2或石英玻璃熔融体中,拉出的直径约100μm 的细丝,称为石英玻璃纤维,这种纤维称为光导纤维。光纤通信是一种新技术,它将光信号在光导纤维中进行全反射传播,达到两地通信的目的。光纤通信优点:信息传输量大,原料来源广;质量轻,每千米27克;抗电磁干扰,保密性好。 4、硅酸和硅胶: ①硅酸:硅酸有多种形式,如H 4SiO 4、H 2SiO 3等。由于“H 2SiO 3”分子式最简单,习惯采用H 2SiO 3作为硅酸的代表。 ②硅酸酸性比碳酸还弱:Na 2SiO 3+CO 2+H 2O =H 2SiO 3↓+Na 2CO 3 ③硅胶:刚制得的硅酸是单个小分子,能溶于水,在存放过程中,它会逐渐失水聚合,形成各种多硅酸,接着就形成不溶于水,但又暂不从水中沉淀出来的“硅溶胶”。如果向硅溶胶中加入电解质,则它会失水转为“硅凝胶”。把硅凝胶烘干可得到“硅胶”。烘干的硅胶是一种多孔性物质,具有良好的吸水性。而且吸水后还能烘干重复使用,所以在实验室中常把硅胶作为作为干燥剂。 5、硅酸盐: ①硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分,其结构复杂,组成可用氧化物的形式表示。例如:硅酸钠Na 2SiO 3(Na 2O ·SiO 2);镁橄榄石Mg 2SiO 4(2MgO ·SiO 2);高岭石Al 2(Si 2O 5)(OH)4(A12O 3·2SiO 2·2H 2O ) 注:复杂硅酸盐可以看成碱性氧化物和酸性氧化物所组成的复杂化合物,因此可以改写为aMxOy·bSiO 2·cH 2O 的方式(具体顺序是:碱性氧化物·两性氧化物·酸性氧化物·水)。 ②硅酸盐制品性质稳定,熔点较高,难溶于水,有很广泛的用途。 ③最简单硅酸盐是硅酸钠,其水溶液俗称水玻璃...,是一种矿物胶,可作粘合剂,防腐剂....... 。 ④云母、滑石、石棉、高岭石等,它们都属于天然的硅酸盐。人造硅酸盐:主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。

材料化学试题库汇总

一填空题 (1)材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品性质的物质。这种物质具有一定的性能或功能。 (2)材料按照化学组成、结构一般可分为金属材料、无机非金属材料、聚合物材料和复合材料。 (3)材料按照使用性能可分为结构材料和功能材料。结构材料更关注于材料的力学性能;而另一种则考虑其光、电、磁等性能。 (4)材料化学是关于材料的结构、性能、制备和应用的化学。 (5)一般材料的结构可分为三个层次,分别是微观结构、介观结构和宏观结构。 (6)对于离子来说,通常正离子半径小于相应的中性原子,负离子的半径则变大。 (7)晶体可以看成有无数个晶胞有规则的堆砌而成。其大小和形状由晶轴(a,b,c)三条边和轴间夹角(α,β,γ)来确定,这6个量合称晶格参数。 (8)硅酸盐基本结构单元为硅氧四面体,四面体连接方式为共顶连接。 (9)晶体的缺陷按照维度划分可以分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷,其延伸范围为零维、一维、二维和三维。 (10)位错分为韧型位错、螺型位错以及由前两者组成的混合位错三种类型。 (11)固溶体分为置换型固溶体和填隙型固溶体,前者溶质质点替代溶剂质点进入晶体结点位置;后者溶质质点进入晶体间隙位置。 (12)材料热性能主要包括热容、热膨胀和热传导。 (13)材料的电性能是指材料被施加电场时的响应行为,包括有导电性、介电性、铁电性和压电性等。 (14)衡量材料介电性能的指标为介电常数、介电强度和介电损耗。 (15)磁性的种类包括:反磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和铁氧体磁性等。 (16)铁磁材料可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。 (17)材料的制备一般包括两个方面即合成与控制材料的物理形态。 (18)晶体生长技术主要有熔体生长法和溶液生长法,前者主要包括有提拉法、坩埚下降法、区融法和焰融法等。 (19)溶液达到过饱和途径为:一,利用晶体的溶解度随改变温度的特性,升高或降低温度而达到过饱和;二,采用蒸发等办法移去溶剂,使溶液浓度增高。 (20)气相沉积法包括物理气相沉积法PVD和化学气相沉积法CVD。 (21)液相沉淀法包括直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法和水解法。 (22)固态反应一般包括相界面上的反应和物质迁移两个过程,反应物浓度对反应的影响很小,均相反应动力学不适用。 (23)自蔓延高温合成按照原料组成可分为元素粉末型、铝热剂型和混合型。 (24)金属通常可分为黑色金属和有色金属;黑色金属是指铁、铬、锰金属与它们的合金。(25)合金基本结构为混合物合金、固溶体合金和金属间化合物合金。 (26)铁碳合金的形态包括有奥氏体、马氏体、铁素体、渗碳体与珠光体等。 (27)金属材料热处理包括整体热处理、表面热处理和化学热处理。 (28)超耐热合金包括铁基超耐热合金、镍基超耐热合金和钴基超耐热合金。 (29)提高超耐热合金性能的途径有改变合金的组织结构和采用特种工艺技术,后者主要有定向凝固和粉末冶金。 (30)产生合金超塑性的条件为产生超细化晶粒与适宜的温度和应变速率。 (31)无机非金属材料主要有以氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材

高中化学硅的性质及其化合物的转化知识点总结归纳

硅的性质及其化合物的转化知识点总结归纳 1、硅的性质及制取 (1)硅的化学性质 ①常温下能与F2、HF、强碱等反应 2F2+Si=SiF4, Si+4HF=SiF4↑+2H2↑, Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。 ②加热下能与O2、Cl2、C等反应 (2)硅的制取 特别提醒 (1)硅与碳相似,常温下化学性质都不活泼。 (2)虽然碳比硅活泼,但碳在自然界中以游离态和化合态存在,而硅只能以化合态存在,原因是硅是亲氧元素。 2、硅及其化合物的转化关系 特别提醒 (1)因为SiO2不溶于水,因此不能用SiO2与水反应制备硅酸。 (2)制备硅酸的原理是“强酸制弱酸”,这一原理可用来设计酸性强弱比较的实验,例如证明酸性:盐酸>碳酸>硅酸。

【名师点睛】硅及其化合物转化关系题中的突破口 (1)硅、二氧化硅的结构:如硅与金刚石结构相似。 (2)硅、二氧化硅的物理性质:如硬度大,熔、沸点高。 (3)特征性质 ①与强碱溶液反应放出H2的非金属单质是硅。 ②不与H2O反应、能与氢氟酸反应(或雕刻玻璃)的酸性氧化物为SiO2。 ③难溶于水的无机酸是H2SiO3。 判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)(2017年天津理综,3)硅太阳能电池工作时,光能转化成电能,与氧化还原反应无关。 ( ) (2)(2015年江苏,8)下列转化均能一步实现:粗硅SiCl4Si。( ) (3)(2014年江苏,4)晶体硅熔点高硬度大,可用于制作半导体材料。( ) (4)(2013年北京理综,6)硅太阳能电池可以将太阳能转化为热能。( ) 【答案】(1)√(2)√(3)×(4)× 判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)(2017年江苏,3)SiO2的硬度大,可用于制造光导纤维。( ) (2)(2016年全国Ⅲ卷,7) HF能与SiO2反应,故常用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。( ) (3)(2016年江苏,9)下列转化均能一步实现:SiO2SiCl4Si。( ) (4)(2015年海南,7)可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液。( )

硅及其化合物(讲义及答案)

硅及其化合物(讲义) 一、知识点睛 1. 硅(最广泛使用的半导体材料) (1) 存在形式 硅在自然界仅以 —位。 (2) 物理性质 ① _____ 色、有金属光泽、硬而脆的固体。 ② 熔、沸点 _______ 、硬度 _______ O ③ 导电性介于导体和绝缘体之间,是a 好的 __________ 。 (3) 化学性质 ① 常温下,硅的化学性质不活泼,只与氟气、氢氟 酸和强碱 等反应。 Si+2F2 =SiF4 Si+4HF 二SiE, f +2讯 t Si+2NaOH+H2O 二Na2SiO3+2H2 t ② 加热条件下,硅能与一些非金属如氧气、氯气等反应。 (4)工业制法(焦炭还原二氧化硅) SiO 卄2C=5邑Si+2CO I 2. 二氧化硅(用来制造光导纤维) (1) 物理性质 硬度、密度都很—,熔、沸点很. (2) 化学性质 ① 酸性氧化物通性 SiO2+2NaOH 二NapSiO 汁比0 SiO2+CaO=Sl=CaSiO3 ② 常温下与氢氟酸反应(特性) SiO2+4HF = SiEt t +2H2O ③ 高温条件下与碳酸钠反应 SiO2+N£i2CO3=5S=N 七SiO 汁CO? t ④工业制硅 态存在,在地壳中含量居第 Si+O.=SiO2 Si+2Cl2=SiC14 溶于水。

物理性质 0色胶状固体,难溶于水。 化学性质 ①不稳定性 H2SiO3=SiO2+ H2O ② 弱酸性(不能使指示剂变色) Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3 \ 注:该反应可 证明HzSiOs 的酸性比H2CO3弱。 (3)制取方法(强酸制弱酸原理) Na2SiO5+2HCl =2NaCI +H2SiO3 \ 4. 硅酸盐 (1) 硅酸钠 Na2SiO3的水溶液俗称 _________ 腐剂及粘合剂等。 (2) 硅酸盐的表示方法 通常用 ___________ 和 __________ 如硅酸钠NgO ?SiO2。 【注】①当金属有多种时,先写 _______ 金属的氧化物; ② 各氧化物化学式之间用“ ______ ”隔开; ③ 各化学式前?的汁量数只能取 ________ ; ④ 改写后各元素的原子个数应保持不变。 如 钾长 石KdAbSibOiG 可表 示为: K2O ?A12O3? 6SiO2)。 5. 硅酸盐材料(传统无机非金属材料) 硅酸盐制品性质稳定,耐压强度高,硬度大,熔点高。 (1)玻璃 主要原料: 涉及反应: ______ 、 __________ 和 ; 玻璃属于混合物, ________ 一定的熔点,只 是在某一温度范W 内逐渐软化。 3.硅酸 (1) (2) ,可用做防火剂.防 的形式表示其组成, 纯碱、石灰石和石英。 主要成分:

硅及其化合物

硅及其化合物 一、选择题(本题包括5小题,每小题4分,共20分) 1.关于二氧化硅,下列叙述不. 正确的是( ) A .水晶的成分是二氧化硅 B .二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别 C .二氧化硅不溶于水,也不能跟水起反应生成酸 D .二氧化硅是一种酸性氧化物,它不跟任何酸起反应 2.下列离子方程式,正确的是( ) A .澄清石灰水中通入过量二氧化碳:Ca 2++2OH - +CO 2===CaCO 3↓+H 2O B .碳酸钠溶液中加入二氧化硅:CO 2-3+SiO 2===SiO 2- 3+CO 2↑C .二氧化硅与烧碱溶液反应:SiO 2+2OH -===SiO 2- 3+H 2↑ D .硅酸与烧碱溶液中和:H 2SiO 3+2OH -===SiO 2- 3+2H 2O 3.下列物质的变化,不能通过一步化学反应完成的是( ) A .CO 2→H 2CO 3 B .SiO 2→Na 2SiO 3 C .Na 2O 2→Na 2CO 3 D .SiO 2→H 2SiO 3 4.(双选题)素有“水晶之乡”美称的江苏东海县盛产水晶,现存于国家地质博物馆的水晶大王就出自东海县。水晶是较纯净的透明的石英晶体,石英的主要成分是SiO 2。下列有关石英的叙述正确的是( )A .石英都是无色透明晶体,可作装饰品,也可以制作光学仪器 B .石英晶体中每个Si 周围结合4个O ,每个O 周围结合2个Si C .石英制做的光导纤维在强碱性条件下易发生“断”路 D .石英不可以用来制取高纯硅,可以制光导纤维 5.在一定条件下,下列物质不能和SiO 2反应的是( ) ①焦炭 ②纯碱 ③碳酸钙 ④氢氟酸 ⑤硝酸 ⑥氢氧化钾 ⑦氧化钙 ⑧氟气 A .③⑤⑦⑧ B .⑤⑦⑧ C .⑤⑧ D .⑤ 二、非选择题(本题包括3小题,共30分) 6.(8分)指出下列反应中SiO 2所表现的化学性质或作用,在A ~E 选项中选择正确答案填入括号内。 (1)SiO 2+2NaOH===Na 2SiO 3+H 2O() (2)SiO 2+2C=====高温 Si +2CO ↑() (3)SiO 2+3C=====高温SiC +2CO ↑() (4)SiO 2+4HF===SiF 4↑+2H 2O()

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