Добре знайомий сучасній людині кремній іноді починає вести себе досить дивно. Наприклад, плавитися при пониженні температури.
Подібно до кубику льоду в спекотний день, більшість матеріалів плавиться (тобто переходить з твердого стану в рідкий) при підвищенні температури. Але деякі з них ведуть себе досить дивно - тануть при охолодженні. Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) показали, що кремній, який так широко використовується у виробництві мікросхем і сонячних батарей, теж може володіти цією незвичайною властивістю «ретроградного плавлення».
Кремній, який містить значну кількість домішок (міді, нікелю і заліза), перетворюється в деяку подобу сльоти - суміш матеріалів у твердій і рідкій фазі - при охолодженні до 900 ?С, тоді як температура плавлення чистого кремнію - 1414 ?С. Більш низькі температури плавлення дозволили спостерігати поведінку матеріалу при переході з твердого стану в рідкий за допомогою рентгенофлуоресцентного аналізу (РФА).
В отриманому матеріалі домішки мігрували в рідкі зони, покидаючи твердий кремній. Ця властивість могла б бути використана при виготовленні багатьох пристроїв на основі кремнію. Іноді навіть невелика кількість домішок може значно погіршити роботу пристрою. Але якщо вдасться отримати всередині кремнієвого блоку невеликі краплі рідини, які здатні поглинати домішки, можна буде використовувати менш чистий а, отже, дешевший кремній, який буде очищатися в ході технологічного процесу.
Можливість виникнення ретроградного плавлення кремнію була передбачена в 2007 році. Але спектр умов, за яких можна спостерігати це явище, дуже вузький. Створити ці умови і поспостерігати процес на мікроскопічному рівні вдалося тільки зараз.
Результати дослідження опубліковані в журналі Advanced Materials.
Для спостереження за нагріванням і охолодженням матеріалу дослідники використовували модифікований варіант високотемпературного мікроскопа, що дозволяє точно відрегулювати швидкість нагрівання і охолодження в камері. Зміни, що відбуваються в речовині при переході з твердого стану в рідкий, фіксувалися за допомогою РФА. Джерелом рентгенівського випромінювання в даному випадку виступав потужний синхротрон.
Досліджуваний матеріал представляв собою деяку подобу пирога: між двома шарами кремнію була поміщена «начинка» з міді, заліза і нікелю. Спочатку «пиріг» нагрівали до температури, при якій молекули «начинки» проникали в кремній (нижче точки плавлення кремнію). У результаті в кремнії було розчинено більшу кількість домішок, ніж це можливо в звичайних умовах. Щось подібне відбувається при розчиненні солі в нагрітій воді: гаряча рідина може «вмістити» більшу кількість домішок, а при охолодженні «зайва» сіль не завжди випадає в осад - утворюється перенасичений розчин.
У разі, коли метали розчиняються в твердому кремнії, процес подальшого охолодження рано чи пізно приводить в температурну точку, нижче за яку повинен утворитися «осад». Твердий кремній опиняється в дуже непростій (з енергетичної точки зору) ситуації: з одного боку, до точки плавлення далеко, а з іншого - треба ж кудись подіти все ці домішки. І виходом із цієї ситуації виявляється формування локальних рідких зон, в які і виводяться домішки.
Дослідження дозволяє по-новому поглянути на взаємодію перехідних металів та їх структурних дефектів. Але як і раніше залишається чимало запитань до вчених. Наприклад, наскільки стабільні рідкі включення в кремнії і чи зможуть вони утримати всі домішки в ході виробничого процесу?
Нагадаємо, що зараз технічний кремній застосовують у компонентах сплавів у металургії (при виплавці чавуну, сталей, бронз, силуміну та ін), як розкислювач, модифікатор властивостей металів або легуючий елемент (наприклад, добавка певної кількості кремнію при виробництві трансформаторних сталей збільшує коерцитивну силу готового продукту), як сировину для виробництва більш чистого полікристалічного кремнію, як сировину для виробництва кремнійорганічних матеріалів, силанів.
Іноді кремній технічної чистоти і його сплав із залізом (феросиліцій) використовується для виробництва водню в польових умовах.
Надчистий кремній переважно використовується для виробництва одиночних електронних приладів (нелінійних пасивних елементів електричних схем) і однокристальних мікросхем. Чистий кремній, відходи надчистого кремнію, іноді доочищений технічний кремній у вигляді кристалічного кремнію є основним сировинним матеріалом для сонячної енергетики.
Монокристалічний кремній - крім електроніки та сонячної енергетики використовується для виготовлення дзеркал газових лазерів.
Сполуки металів з кремнієм – силіциди, використовуються в промисловості (наприклад електронній та атомній) з широким спектром корисних хімічних, електричних і ядерних властивостей (стійкість до окислення, нейтронів та ін.), а також силіциди ряду елементів є важливими термоелектричними матеріалами.
Сполуки кремнію служать основою для виробництва скла і цементу. Виробництвом скла і цементу займається силікатна промисловість. Вона також випускає силікатна кераміку - цеглу, фарфор, фаянс та вироби з них.
Широко відомий силікатний клей, який застосовується в будівництві як сикатив, а в піротехніці і в побуті для склеювання паперу.
Одержали широке поширення силіконові масла і силікони - матеріали на основі кремнійорганічних сполук.
За матеріалами web.mit.edu.
