سليكون

هذا المقال هو عن العنصر الجيميائي. إذا كنت تريد الاستخدامات الأخرى، انظر سليكون (توضيح). "العنصر 14" redirects here. For other uses, see العنصر 14 (توضيح). يجب ألا يـُخلـَط بينها وبين الپوليمر الاصطناعي المحتوي على السليكون، سليكون (مركب كيميائي).

السليكون, ₁₄Si

السليكون
التآصلات	انظر تآصلات السليكون
المظهر	بلوري، عاكس، بأسطح ذات مسحة زرقاء
الوزن الذري العياري Ar°(Si)
السليكون في الجدول الدوري
C ↑ Si ↓ Ge الألومنيوم ← السليكون → الفسفور
الرقم الذري (Z)	14
المجموعة	14
الدورة	period 3
المستوى الفرعي	p-block
التوزيع الإلكتروني	[Ne] 3s2 3p2
الإلكترونات بالغلاف	2, 8, 4
الخصائص الطبيعية
الطور at د.ح.ض.ق	solid
نقطة الانصهار	1687 K ​(1414 °س، ​2577 °F)
نقطة الغليان	3538 K ​(3265 °س، ​5909 °ف)
الكثافة حين يكون سائلاً (عند ن.إ.)	2.57 ج/سم³
حرارة الانصهار	50.21 kJ/mol
حرارة التبخر	383 kJ/mol
السعة الحرارية المولية	19.789 J/(mol·K)
ضغط البخار P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1908 2102 2339 2636 3021 3537
الخصائص الذرية
الكهرسلبية	مقياس پاولنگ: 1.90
طاقات التأين	الأول: 786.5 kJ/mol الثاني: 1577.1 kJ/mol الثالث: 3231.6 kJ/mol (المزيد)
نصف القطر الذري	empirical: 111 pm
نصف قطر التكافؤ	111 pm
نصف قطر ڤان در ڤالز	210 pm
الخطوط الطيفية
خصائص أخرى
البنية البلورية	​موسطنة الوجه مكعبة ماسية
سرعة الصوت قضيب رفيع	8433 م/ث (عند 20 °س)
قضيب رفيع	149 W/(m·K)
المقاومة الكهربائية	2.3×103 Ω⋅m (at 20 °C)
فجوة النطاق	1.12 eV (عند 300 ك)
الترتيب المغناطيسي	مغناطيسي معاكس
القابلية المغناطيسية	−3.9×10−6 cm3/mol (298 ك)
معامل يونگ	130–188 GPa
معامل القص	51–80 GPa
معاير الحجم	97.6 GPa
نسبة پواسون	0.064–0.28
صلادة موز	6.5
رقم كاس	7440-21-3
التاريخ
التسمية	من اللاتينية silex أو silicis، وتعني 'الصوان'
التوقع	Antoine Lavoisier (1787)
الاكتشاف وأول عزل	يونس ياكوب برزليوس (1823)
سمّاه	توماس طومسون (1817)
نظائر الالسليكون

السليكون (Silicon، /ˈsɪl.ɪ.kən/، SILL-ih-kən)، هو عنصر كيميائي، رمزه الكيميائي Si ورقمه الذري 14. وهو مادة صلبة بلورية هشة ذات بريق معدني رمادي مزرق، وهو لا رباعي التكافؤ (يُصنف أحياناً كشبه فلز) وشبه موصل. ينتمي السليكون إلى المجموعة 14 في الجدول الدوري، حيث يقع الكربون فوقه، بينما تقع الجرمانيوم، القصدير، الرصاص، والفليروڤيوم أسفله. وهو عنصر غير نشط نسبياً. يُعد السليكون عنصراً هاماً وضرورياً للعديد من العمليات الفسيولوجية والأيضية في النباتات. يُستخدم السليكون على نطاق واسع كمادة شبه موصلة في العديد من الأجهزة الكهربائية مثل الترانزستورات والخلايا الشمسية والدوائر المتكاملة. ويهيمن على تطبيقات أشباه الموصلات نظراً لانخفاض تكلفته وخصائصه الإلكترونية الممتازة وخصائصه الفيزيائية القابلة للتعديل.

بسبب انجذابه الكيميائي الشديد للأكسجين، لم يتمكن يونس ياكوب برزليوس من تحضيره وتوصيفه في صورته النقية إلا عام 1823. تشكل أكاسيده عائلة من الأنيونات تُعرف باسم السيليكات. تبلغ درجة انصهاره 1.414°س، ودرجة غليانه 3.265°س، وهما ثاني أعلى درجات انصهار وغليان بين جميع أشباه الفلزات واللافلزات، ولا يتفوق عليه سوى البورون.

يُعدّ السليكون ثامن أكثر العناصر وفرةً في الكون من حيث الكتلة، لكنه نادراً ما يوجد في صورته النقية في القشرة الأرضية. ينتشر السليكون على نطاق واسع في الفضاء في الغبار الكوني، الكواكب الصغيرة، والكواكب، على هيئة أشكال مختلفة من ثاني أكسيد السليكون (السليكا) أو السيليكات. يتكون أكثر من 90% من قشرة الأرض من معادن سيليكات، مما يجعل السليكون ثاني أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية (حوالي 28% من حيث الكتلة)، بعد الأكسجين.

يُستخدم معظم السليكون تجارياً دون فصله، وغالباً ما يخضع لمعالجة طفيفة جداً للمعادن الطبيعية. يشمل هذا الاستخدام الإنشاءات الصناعية مع الطين، رمل السيليكا، والحجر. تُستخدم السيليكات في أسمنت پورتلاند لصنع الملاط والجص، وتُخلط مع رمل السيليكا والحصى لصنع الخرسانة للممرات والأساسات والطرق. كما تُستخدم في الخزف الأبيض مثل الپورسلين، وفي زجاج الصودا-الجير التقليدي القائم على السيليكات، والعديد من أنواع الزجاج المتخصصة الأخرى. تُستخدم مركبات السليكون، مثل كربيد السليكون، كمواد كاشطة ومكونات للخزف عالي القوة. يُعد السليكون أساس الپوليمرات الاصطناعية واسعة الانتشار المعروفة باسم السليكونات.

وُصف أواخر القرن 20 إلى أوائل القرن 21 بعصر السليكون (المعروف أيضاً بالعصر الرقمي أو عصر المعلومات) بسبب التأثير الكبير الذي يحدثه عنصر السليكون على الاقتصاد العالمي الحديث. يعد الجزء الصغير من السليكون العنصري عالي النقاء المستخدم في إلكترونيات أشباه الموصلات (<15%) ضرورياً لشرائح الترانزستورات والدوائر المتكاملة المستخدمة في معظم التقنيات الحديثة مثل الهواتف الذكية وغيرها من أجهزة الحاسوب. عام 2019، كانت نسبة 32.4% من قطاع سوق أشباه الموصلات مخصصة للشبكات وأجهزة الاتصالات، ومن المتوقع أن تصل صناعة أشباه الموصلات إلى 726.73 بليون دولار بحلول عام 2027.

السليكون هو عنصر أساسي في علم الأحياء. تحتاج معظم الحيوانات إلى آثار فقط، لكن بعض إسفنج البحر والعضيات الدقيقة، مثل الطحالب العصوية والشعوعيات، تفرز هياكل هيكلية مصنوعة من السليكا. تترسب السليكا في العديد من الأنسجة النباتية.

 التاريخ

نظراً لوفرة السليكون في القشرة الأرضية، فقد أُستخدمت المواد الطبيعية القائمة على السليكون منذ آلاف السنين. كانت بلورات السليكون الصخرية مألوفة لدى الحضارات القديمة المختلفة، مثل المصريون قبل الأسرات الذين استخدموها في صناعة الخرز والمزهريات الصغيرة، بالإضافة إلى الصينيين القدماء. الزجاج المحتوي على السليكا صنعه المصريون منذ 1500 ق.م على الأقل، وكذلك بواسطة الفينيقيين القدماء. كما أُستخدمت مركبات السيليكات الطبيعية في أنواع مختلفة من الملاط لبناء مساكن الإنسان المبكر.

 الاكتشاف

يونس ياكوب برزليوس، اكتشف السليكون عام 1823.

عام 1787، اشتبه أنطوان لاڤوازييه في أن السيليكا قد تكون أكسيداً لعنصر كيميائي أساسي، لكن ألفة السليكون الكيميائية للأكسجين مرتفعة بما يكفي بحيث لا توجد وسيلة لاختزال الأكسيد وعزل العنصر. بعد محاولة لعزل السليكون عام 1808، اقترح السير همفري ديڤي اسم "سيليكيوم" للسليكون، من اللاتين silex، سيليك وتعني الصوان، وأضاف اللاحقة "-يوم" لاعتقاده أنه فلز. تستخدم معظم اللغات الأخرى صيغاً مترجمة حرفياً لاسم ديڤي، والتي يتم تكييفها أحيانًا مع علم الأصوات المحلي (على سبيل المثال الألمانية Silizium، التركية silisyum، القطلونية silici، الأرمينية Սիլիցիում أو سيليتزيوم). يستخدم عدد قليل من الآخرين بدلاً من ذلك ترجمة اقتراضية من الجذر اللاتيني (على سبيل المثال الروسية кремний، من кремень "الصوان"؛ اليونانية πυρίτιο من πυρ "النار"؛ الفنلندية pii من piikivi "الصوان"، التشيكية křemík من křemen "الكوارتز"، "الصوان").

يُعتقد أن گي-لوساك وثينار قد قاما بتحضير سليكون غير بلوري غير نقي عام 1811، من خلال تسخين فلز الپوتاسيوم المعزول حديثاً مع رباعي فلوريد السليكون، لكنهم لم يقوموا بتنقية المنتج وتوصيفه، ولا تعريفه كعنصر جديد. أُطلق على السليكون اسمه الحالي عام 1817 من قبل الكيميائي الإسكتلندي توماس طومسون. احتفظ بجزء من اسم ديڤي لكنه أضاف "-on" لأنه يعتقد أن السليكون كان لا فلزياً مشابهاً للبورون والكربون. عام 1824، قام يونس ياكوب برزليوس بتحضير السليكون الغير بلوري باستخدام نفس طريقة گي-لوساك تقريباً (اختزال فلوروسيليكات الپوتاسيوم بفلز الپوتاسيوم المنصهر)، لكن جرى تنقية المنتج إلى مسحوق بني عن طريق غسله بشكل متكرر. نتيجة لذلك، يُنسب إليه عادة الفضل في اكتشاف العنصر. وفي العام نفسه، أصبح برزليوس أول من قام بتحضير رباعي كلوريد السليكون (SiCl₄)؛ الذي حُضر بالفعل قبل فترة طويلة عام 1771 بواسطة كارل ڤيلهلم شيله عن طريق إذابة السيليكا في حمض الهيدروفلوريك. عام 1846، قام ج. فون بتخليق رباعي إيثيل أورثو سيليكات (Si(OC₂H₅)₄).

بلورة سليكون مفردة تمت تنميتها بواسطة طريقة تشوخرالسكي المستخدمة في صنع الدوائر المتكاملة.

لم يُحضر السليكون في شكله البلوري الأكثر شيوعاً إلا بعد 31 عاماً، بواسطة ديڤيل. أدى تمرير أبخرة كلوريد السليكون فوق الألومنيوم النقي إلى إنتاج بلورات ثمانية السطوح نقية وصلبة. اكتشف فريدريش ڤولر أول هيدريدات متطايرة من السليكون، وقام بتصنيع كلور السيلان الثلاثي عام 1857 والسيلان نفسه عام 1858، لكن لم يُجرى تحقيق تفصيلي في السيلانات إلا في أوائل القرن العشرين بواسطة ألفرد ستوك، على الرغم من التكهنات المبكرة حول هذه المسألة التي يعود تاريخها إلى بدايات الكيمياء العضوية الاصطناعية في عقد 1830. وبالمثل، صُنع أول مركب سليكون عضوي، رباعي إيثيل السيلان، بواسطة شارل فريدل وجيمس كرافتس عام 1863، لكن لم يُقدم الوصف التفصيلي لكيمياء السليكون العضوي إلا في أوائل القرن العشرين بواسطة فردريك كيپينگ.

بدءاً من العشرينيات، ساهم عمل وليام لورانس براگ في مجال دراسة البلورات بالأشعة السينية في توضيح تركيب السيليكات، التي كانت معروفة سابقاً من خلال الكيمياء التحليلية لكن لم تكن مفهومة تماماً، وذلك بالتزامن مع تطوير لاينس پولنگ لعلم كيمياء البلورات وتطوير ڤيكتور گولدشميت لعلم الجيوكيمياء. وشهد منتصف القرن العشرين تطوراً في كيمياء السليكون واستخداماته الصناعية، وتزايد استخدام السليكون، الپوليمرات، اللدائن المرنة، والراتنجات. في أواخر القرن العشرين، رُسمت خريطة لتركيب الكيمياء البلورية للسيليسيدات، إلى جانب فيزياء الحالة الصلبة لأشباه الموصلات المشوبة.

 أشباه موصلات السليكون

لم تستخدم أجهزة أشباه الموصلات الأولى السليكون، بل استخدمت الر، بما في ذلك كاشف البلورات الذي ابتكره الفيزيائي الألماني فرديناند براون عام 1874 وكاشف البلورات الراديوي الذي ابتكره الفيزيائي الهندي جاگديش تشاندرا بوس عام 1901. كان أول جهاز أشباه موصلات مصنوع من السليكون عبارة عن كاشف بلوري راديوي من السليكون، طوره المهندس الأمريكي گرينليف ويتير پيكارد عام 1906.

عام 1940، اكتشف رسل أول وصلة موجب-سالب والتأثير الجهدي الضوئي في السليكون. وفي عام 1941، طُوّرت تقنيات لإنتاج بلورات الجرمانيوم والسليكون عالية النقاء لاستخدامها في بلورات كاشفات الرادار والميكروويڤ أثناء الحرب العالمية الثانية. وفي عام 1947، وضع الفيزيائي وليام شوكلي نظرية حول ترانزستور تأثير المجال المصنوع من الجرمانيوم والسليكون، لكنه لم ينجح في إنشاء جهاز عملي، قبل أن يعمل لاحقاً بالجرمانيوم. وكان أول ترانزستور عملي هو ترانزستور ذو نقطة تلامس، أنشأه جون باردين ووالتر براتين في وقت لاحق من ذلك العام أثناء عملهما تحت إشراف شوكلي.

عام 1954، قام الكيميائي الفيزيائي موريس تاننباوم بتصنيع أول ترانزستور وصلة سليكوني في معامل بل. عام 1955، اكتشف كارل فروش ولنكن دريك في معامل بل بالصدفة أنه يمكن إنماء ثاني أكسيد السليكون (SiO 2) على السليكون. بحلول عام 1957، نشر فروش ودريك عملهما حول أول ترانزستور أكسيد أشباه الموصلات المصنّع SiO 2: أول ترانزستورات مستوية، حيث كان المصرف والمصدر متجاورين على نفس السطح. عام 1959، طور روبرت نويس أول دائرة متكاملة قائمة على السليكون في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات، بناءً على العمل السابق ل الذي اعتمد على الجرمانيوم كشبه موصل.

 عصر السليكون

الموسفت، المعروف أيضاً باسم ترانزستور موس، هو المكون الرئيسي لعصر السليكون. صُنع أول ترانزستور مستوي من أكسيد أشباه الموصلات السليكونية بواسطة فروش ودريك عام 1957.

يشير "عصر السليكون" إلى أواخر القرن 20 إلى أوائل القرن 21. ويرجع ذلك إلى كون السليكون المادة السائدة المستخدمة في الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات (الفترة المعروفة أيضاً بالعصر الرقمي أو عصر المعلومات)، على غرار كيفية تعريف العصر الحجري، العصر البرونزي، والعصر الحديدي بالمواد السائدة خلال عصور الحضارة الخاصة بها.

ولأن السليكون عنصر هام في أجهزة أشباه الموصلات عالية التقنية، فإن العديد من الأماكن في العالم تحمل اسمه. على سبيل المثال، حصل وادي سانتا كلارا في كاليفورنيا على لقب سليكون ڤالي، حيث أن العنصر هو المادة الأساسية في صناعة أشباه الموصلات هناك. ومنذ ذلك الحين، سُميت العديد من الأماكن الأخرى بالمثل، بما في ذلك وادي السليكون في إسرائيل؛ سليكون فورست في أوريگون؛ سيليكون هيلز في أوستن، تكساس؛ منحدرات السيليكون في سولت ليك سيتي، يوتا؛ ساكسونيا السيليكون في ألمانيا؛ وادي السليكون في الهند؛ حدود السليكون في مكسيكالي بالمكسيك؛ سليكون فـِن في كمبردج بإنگلترة؛ سليكون راوندابوت في لندن؛ [[سليكون گلن]ي في إسكتلندا؛ سليكون گورج في بريستول بإنگلترة؛ سليكون ألاي في مدينة نيويورك؛ سليكون بيتش في لوس أنجلس؛ وواحة دبي للسليكون في دبي.

 الخصائص

 الفيزيائية والذرية

يتبلور السليكون في بنية بلورية مكعبة ماسية عن طريق تكوين المدارات الهجينة sp³.

تحتوي ذرة السليكون على أربعة عشر إلكتروناً. في طوره الأرضي، يترتب في التوزيع الإلكتروني [Ne]3s²3p². من بين هذه الإلكترونات، أربعة منها إلكترونات تكافؤ، تشغل المدار 3s واثنين من مدارات 3p. مثل الأعضاء الآخرين في مجموعته، الكربون الأخف، والجرمانيوم، القصدير، والرصاص الأثقل، لديه نفس عدد إلكترونات التكافؤ مثل مدارات التكافؤ: وبالتالي، يمكنه إكمال الثمانيات والحصول على تكوين غاز الأرگون النبيل المستقر عن طريق تكوين المدارات الهجينة sp³، تشكل مشتقات رباعية السطوح SiX 4 حيث تتشارك ذرة السليكون المركزية زوجاً من الإلكترونات مع كل من الذرات الأربع المرتبطة بها. طاقات التأين الأربعة الأولى من السليكون هي 786.3، 1576.5، 3228.3، و4354.4 كيلوجول/مول على التوالي؛ هذه الأرقام عالية بما يكفي لاستبعاد إمكانية وجود كيمياء كاتيونية بسيطة للعنصر. باتباع الاتجاهات الدورية، يكون نصف قطرها التساندي أحادي الرابطة البالغ 117.6 ميكرومتر متوسطاً بين نصف قطر الكربون (77.2 ميكرومتر) والجرمانيوم (122.3 ميكرومتر). يمكن اعتبار نصف القطر الأيوني سداسي الإحداثيات للسليكون 40 دقيقة، على الرغم من أنه يجب اعتبار هذا رقماً نظرياً بحتاً نظراً لعدم وجود كاتيون قالب:كيميائي بسيط في الواقع.

 الكهربائية

عند درجة الحرارة والضغط القياسيين، يكون السليكون شبه موصل لامع وله بريق معدني رمادي مزرق؛ كما هو معتاد في أشباه الموصلات، تنخفض مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة. ينشأ هذا لأن السليكون لديه فجوة طاقة صغيرة (فجوة النطاق) بين أعلى مستويات الطاقة المشغولة (نطاق التكافؤ) وأدنى المستويات غير المشغولة (نطاق التوصيل). يقع مستوى فرمي في منتصف المسافة تقريباً بين نطاقي التكافؤ والتوصيل وهو الطاقة التي من المحتمل أن يشغلها الإلكترون في حالة ما. ومن ثم فإن السليكون النقي يعتبر عازلًا فعالاً في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن تشويب السليكون مع پنيكتوجين مثل الفوسفور، الزرنيخ، أو الأنتيمون يُدخل إلكتروناً إضافياً لكل مادة إشابة ويمكن بعد ذلك تحفيزها في نطاق التوصيل إما حرارياً أو ضوئياً، مما يؤدي إلى إنشاء أشباه موصلات سالبة. وبالمثل، فإن تشويب السليكون بأحد عناصر المجموعة 13 مثل البورون، الألومنيوم، أو الگاليوم يؤدي إلى إدخال مستويات مستقبلة تحبس الإلكترونات التي قد تكون مثارة من نطاق التكافؤ المملوء، مما يؤدي إلى إنشاء أشباه موصلات موجبة. يؤدي ربط السليكون من النوع السالب بالسليكون من النوع الموجب إلى تكوين وصلة الموجب والسالب ذات مستوى فرمي مشترك؛ تتدفق الإلكترونات من السالب إلى الموجب، بينما تتدفق الفجوات من الموجب إلى السالب، مما يُحدث انخفاضاً في الجهد. تعمل وصلة الموجب والسالب هذه كصمام ثنائي يُمكنه تقويم التيار المتردد، مما يسمح بمرور التيار بسهولة أكبر في اتجاه واحد من الاتجاه المعاكس. الترانزستور عبارة عن وصلة سالب-موجب-سالب، مع طبقة رقيقة من السليكون من النوع الموجب الضعيف بين منطقتين من النوع السالب. يسمح تحيز الباعث بجهد أمامي صغير والمجمع بجهد عكسي كبير للترانزستور بالعمل كمضخم صمام ثلاثي.

 البنية البلورية

المقالة الرئيسية: تآصلات السليكون

يتبلور السليكون في بنية تساندية عملاقة في الظروف القياسية، وتحديداً في شبكة بلورية مكعبة ماسية (المجموعة الفراغية 227). وبالتالي فإن درجة انصهاره عالية تبلغ 1.414°س، حيث يتطلب الأمر قدراً كبيراً من الطاقة لكسر الروابط التساندية القوية وإذابة المادة الصلبة. عند ذوبان السليكون يتقلص حيث تنكسر شبكة الروابط رباعية السطوح طويلة المدى وتمتلئ الفراغات الموجودة في تلك الشبكة، على غرار الجليد المائي عندما تنكسر روابط الهيدروجين عند الذوبان. ليس لديها أي متآصلات مستقرة ديناميكياً حرارياً عند الضغط القياسي، لكن العديد من البنى البلورية الأخرى معروفة عند الضغوط الأعلى. التوجه العام هو زيادة العدد التساندي مع الضغط، وبلغ ذروته في شكل سداسي متمركز متآصل عند حوالي 40  گيگاپاسكال ثانية يُعرف باسم Si–VII (التعديل القياسي هو Si–I). يمكن بناء متآصل يسمى BC8 (أو bc8)، يحتوي على شبكة مكعب متمركز مع ثماني ذرات لكل خلية وحدة بدائية (المجموعة الفراغية 206)، عند ضغط مرتفع ويظل مستقراً عند الضغط المنخفض. وقد دُرست خصائصه بالتفصيل.

تبلغ درجة غليان السليكون 3.265°س: هذه، على الرغم من ارتفاعها، لا تزال أقل من درجة الحرارة التي يتصاعد عندها متجانسه الكربون الأخف (3.642°س) والسليكون بالمثل يتمتع بحرارة تبخر أقل من الكربون، بما يتوافق مع حقيقة أن رابطة Si-Si أضعف من رابطة C-C.

ومن الممكن أيضاً إنشاء طبقات سيليسين مشابهة للگرافين.

 النظائر

المقالة الرئيسية: نظائر السليكون

يتكون السليكون الطبيعي من ثلاثة نظائر مستقرة، ²⁸Si (92.24%)، ²⁹Si (4.67%)، و³⁰Si (3.07%). من بين هذه العناصر، يُستخدم فقط ²⁹Si الفردي في الرنين المغناطيسي النووي ومطيافية الرنين المغناطيسي الإلكتروني، ويبلغ دورانه النووي (I =1/2). تُنتج هذه النظائر الثلاثة جميعها في المستعرات العظمى من النوع الأول أ من خلال عملية حرق الأكسجين، حيث يُصنع النظير ²⁸Si كجزء من العملية ألفا وبالتالي الأكثر وفرة. يُعرف اندماج ²⁸Si مع جسيمات ألفا عن طريق إعادة ترتيب التفكك الضوئي في النجوم باسم عملية حرق السليكون؛ وهي المرحلة الأخيرة من التخليق النووي النجمي قبل الانهيار السريع والانفجار العنيف للنجم المعني في المستعر الأعظم من النوع الثاني.

تم التعرف على اثنين وعشرين النظائر المشعة، وأكثرها ثباتاً هو ³²Si بعمر نصفي يبلغ حوالي 157 سنة، و³¹Si بعمر نصفي يبلغ 2.62 ساعة. جميع النظائر المشعة المتبقية عمرها النصفي أقل من سبع ثوان، وغالبية هذه النظائر عمرها النصفي أقل من عُشر ثانية. يخضع ³²Si لاضمحلال بيتا منخفض الطاقة إلى ³²P، ثم إلى ³²S المستقر. قد يُنتج ³¹Si عن طريق التنشيط النيوتروني للسليكون الطبيعي، ولذا فهو مفيد للتحليل الكمي؛ إذ يمكن الكشف عنه بسهولة من خلال تحلله المميز بواسطة بيتا إلى ³¹P المستقر، حيث يحمل الإلكترون المنبعث طاقة تصل إلى 1.48 إلكترون‌ڤولت.

تتراوح النظائر المعروفة للسليكون في عدد الكتلة من 22 إلى 45. نمط الاضمحلال الأكثر شيوعاً للنظائر ذات أعداد الكتلة الأقل من النظائر الثلاثة المستقرة هو اضمحلال β⁺ إلى نظائر الألومنيوم، ونمط الاضمحلال الأكثر شيوعاً للنظائر غير المستقرة الأثقل هو اضمحلال بيتا إلى نظائر الفوسفور كمنتجات اضمحلال. أُبلغ عن ⁴⁶Si في تصادمات ⁷⁰Zn مع Be في التجارب في مصنع شعاع النظائر المشعة.

يمكن أن يدخل السليكون إلى المحيطات من خلال المياه الجوفية والنقل النهري. التدفقات الكبيرة من مدخلات المياه الجوفية لها تركيبة نظائرية تختلف عن مدخلات السليكون النهرية. تساهم الاختلافات النظائرية في المياه الجوفية والنقل النهري في الاختلافات في قيم ³⁰Si المحيطية. حالياً، توجد اختلافات كبيرة في القيم النظائرية للمياه العميقة في أحواض المحيطات في العالم. توجد بين المحيطين الأطلسي والهادي مياه عميقة ³⁰Si يزيد تدرجه عن 0.3 جزء في الألف. يرتبط ³⁰Si بشكل شائع بالإنتاجية في المحيطات.

 الكيمياء والمركبات

المقالة الرئيسية: مركبات السليكون

طاقات الروابط C–X و Si–X (kJ/mol)

X =	C	Si	H	F	Cl	Br	I	O–	N<
C–X	368	360	435	453	351	293	216	~360	~305
Si–X	360	340	393	565	381	310	234	452	322

يعتبر السليكون البلوري خاملاً إلى حد ما، لكنه يصبح أكثر تفاعلاً عند درجات الحرارة المرتفعة. مثل جاره من الألومنيوم، يشكل السليكون طبقة سطحية رقيقة ومستمرة من ثاني أكسيد السليكون (SiO 2) التي تحمي المادة الموجودة تحته من الأكسدة. ولهذا السبب، لا يتفاعل السليكون بشكل ملموس مع الهواء الذي تقل درجة حرارته عن 900°س. بين 950°س و1.160°س، يزداد معدل تشكل ثاني الأكسيد الزجاجي بسرعة، وعند الوصول إلى 1400°س، يتفاعل النيتروجين في الغلاف الجوي أيضاً ليعطي النتريدات SiN وSi 3N 4. يتفاعل السليكون مع الكبريت الغازي عند 600°س والفسفور الغازي عند 1.000°س. ومع ذلك، فإن طبقة الأكسيد هذه لا تمنع التفاعل مع الهالوجين؛ الفلور يهاجم السليكون بقوة في درجة حرارة الغرفة، الكلور يفعل ذلك عند حوالي 300°س، والبروم و اليود عند حوالي 500°س. لا يتفاعل السليكون مع معظم الأحماض المائية، لكنه يتأكسد ويعقد بمخاليط حمض الهيدروفلوريك التي تحتوي إما على الكلور أو حمض النيتريك لتكوين سداسي فلوروسيليكات. يذوب بسهولة في القلويات المائية الساخنة لتكوين السيليكات. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتفاعل السليكون أيضاً مع هاليدات الألكيل؛ قد يُحفز هذا التفاعل بواسطة النحاس لتصنيع كلوريدات السليكون العضوي مباشرة كسلائف لپوليمرات مركب السليكون. عند الذوبان، يصبح السليكون شديد التفاعل، ويخلط مع معظم الفلزات لتكوين السيليسيدات، ويختزل معظم أكاسيد الفلزات لأن حرارة تكون ثاني أكسيد السليكون كبيرة للغاية. في الواقع، يتفاعل السليكون المنصهر فعلياً مع كل نوع معروف من مواد البوتقة (باستثناء أكسيده، SiO 2).^(p. 13) يحدث هذا بسبب قوى ربط السليكون العالية للعناصر الخفيفة وقدرته العالية على الذوبان لمعظم العناصر.^(p. 13) نتيجة لذلك، يجب أن تكون حاويات السليكون السائل مصنوعة من مواد حرارية، ومواد غير متفاعلة مثل ثاني أكسيد الزركونيوم أو مجموعة البوريدات 4 و5 و6.

يعد التنسيق رباعي السطوح عنصراً هيكلياً رئيسياً في كيمياء السليكون تماماً كما هو الحال في كيمياء الكربون. ومع ذلك، فإن الغلاف الفرعي 3p أكثر انتشاراً من الغلاف الفرعي 2p ولا يهجن بشكل جيد مع الغلاف الفرعي 3s. ونتيجة لذلك، فإن كيمياء السليكون ومتجانساته الأثقل تظهر اختلافات كبيرة عن كيمياء الكربون، وبالتالي فإن التنسيق ثماني السطوح هام أيضاً. على سبيل المثال، كهرسلبية السليكون (1.90) أقل بكثير من الكربون (2.55)، لأن إلكترونات التكافؤ للسليكون أبعد عن النواة من إلكترونات الكربون، وبالتالي تتعرض لقوى جذب كهروستاتيكية أصغر من النواة. يؤدي التداخل الضعيف للمدارات 3p أيضًا إلى ميل أقل بكثير نحو السلسلية (تكوين روابط Si-Si) للسليكون مقارنة بالكربون، بسبب الضعف المصاحب لرابطة Si-Si مقارنة بالرابطة C-C: يبلغ متوسط ​​طاقة رابطة Si-Si حوالي 226 كيلو جول/مول، مقارنة بقيمة 356 كيلو جول/مول لرابطة C-C. يؤدي هذا إلى أن تكون مركبات السليكون المترابطة بشكل عام أقل استقراراً بكثير من نظيراتها من الكربون، وهو مثال على قاعدة الرابطة المزدوجة. من ناحية أخرى، يشير وجود العقد الشعاعية في المدارات 3p للسليكون إلى احتمالية فرط التكافؤ، كما يظهر في مشتقات السليكون ذات الإحداثيات الخمسة والستة مثل SiX−5 وSiF2−6. أخيراً، بسبب فجوة الطاقة المتزايدة بين مدارات التكافؤ s وp مع نزول المجموعة، تزداد أهمية الحالة الثنائية التكافؤ من الكربون إلى الرصاص، بحيث يُعرف عدد قليل من المركبات الثنائية التكافؤ غير المستقرة بالسليكون؛ يؤدي هذا الانخفاض في حالة الأكسدة الرئيسية، جنباً إلى جنب مع زيادة نصف القطر الذري، إلى زيادة الشخصية المعدنية أسفل المجموعة. يظهر السليكون بالفعل بعض السلوك الفلزي الأولي، خاصة في سلوك مركبات الأكسيد وتفاعله مع الأحماض وكذلك القواعد (على الرغم من أن هذا يتطلب بعض الجهد)، ومن ثم يشار إليه غالباً على أنه شبه فلز بدلاً من اللافلز. يُظهر الجرمانيوم خصائص أكثر، ويُعتبر القصدير عموماً فلزاً.

يظهر السليكون اختلافات واضحة عن الكربون. على سبيل المثال، الكيمياء العضوية للكربون لديها عدد قليل جداً من أوجه التشابه مع كيمياء السليكون، في حين أن معادن السيليكات لها تعقيد هيكلي غير مرئي في الأوكسوكربونات. يميل السليكون إلى التشابه مع الجرمانيوم أكثر بكثير من الكربون، ويُعزز هذا التشابه من خلال انكماش الكتلة d، مما يؤدي إلى أن يكون حجم ذرة الجرمانيوم أقرب بكثير إلى حجم ذرة السليكون مما تتوقعه الاتجاهات الدورية. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض الاختلافات بسبب الأهمية المتزايدة للحالة ثنائية التكافؤ في الجرمانيوم مقارنة بالسليكون. بالإضافة إلى ذلك، فإن قوة رابطة Ge–O المنخفضة مقارنة بقوة رابطة Si–O تؤدي إلى عدم وجود پوليمرات "جرمانون" التي قد تكون مماثلة لپوليمرات السليكون.

 التوافر

الأوليڤين.

السليكون هو ثامن أكثر العناصر وفرة في الكون، ويأتي بعد الهيدروجين، الهليوم، الأكسجين، الكربون، النيون، الحديد، والنيتروجين. وهذا يختلف عن وفرة العناصر في القشرة الأرضية بسبب الانفصال الكبير للعناصر الذي يحدث أثناء تشكل المجموعة الشمسية. يشكل السليكون 27.2% من القشرة الأرضية من حيث الوزن، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الأكسجين بنسبة 45.5%، والذي يرتبط به دائماً في الطبيعة. حدث مزيد من التجزئة في تشكل الأرض عن طريق تمايز الكواكب: لب الأرض، الذي يشكل 31.5% من كتلة الأرض، وله تكوين تقريبي قالب:كيميائي؛ يشكل الوشاح 68.1% من كتلة الأرض ويتكون في الغالب من أكاسيد وسيليكات أكثر كثافة، ومن الأمثلة على ذلك الأوليڤين، قالب:كيميائي؛ بينما ترتفع معادن السيليس الأخف مثل الألومينوسيليكات إلى السطح وتشكل القشرة، وتشكل 0.4% من كتلة الأرض.

يعتمد تبلور الصخور النارية من الصهارة على عدد من العوامل؛ من بينها التركيب الكيميائي للصهارة، ومعدل التبريد، وبعض خصائص المعادن الفردية التي سيتم تكوينها، مثل طاقة الشبكة، نقطة الانصهار، وتعقيد بنيتها البلورية. عند تبريد الصهارة، يظهر الأوليڤين أولاً، يليه الپيروكسين، الأمفيبول، ميكا البيوتيت، أورثوكلاز الفلسبار، ميكا موسكوڤيت، الكوارتز، الزيوليت، وأخيراً المعادن الحرارية المائية. يُظهر هذا التسلسل توجهاً نحو وحدات السيليكات المعقدة بشكل متزايد مع التبريد، وإدخال الهيدروكسيد والفلوراد بالإضافة إلى الأكاسيد. العديد من الفلزات قد تحل محل السليكون. بعد أن تخضع هذه الصخور النارية التجوية والنقل والترسب، الصخور الرسوبية مثل الطين والصخر الزيتي والحجر الرملي. التحول الصخري قد يحدث أيضاً عند درجات حرارة وضغوط عالية، مما يؤدي إلى تشكل مجموعة أكبر من المعادن.

توجد أربعة مصادر لتدفقات السليكون إلى المحيط: التجوية الكيميائية للصخور القارية، النقل النهري، ذوبان السيليكات الأرضية القارية، والتفاعل بين البازلت البحري والسوائل الحرارية المائية التي تُطلق السليكون المذاب. وترتبط هذه التدفقات الأربعة جميعها في الدورة البيوجيوكيميائية للمحيط، إذ تشكلت جميعها في الأصل من تجوية القشرة الأرضية.

يُلقى ما يقارب من 300-900 ميگاطن من الغبار الجوي في محيطات العالم سنوياً. ومن هذه الكمية، يتراوح حجم جزيئات السليكون بين 80 و240 ميگاطن. ومع ذلك، فإن إجمالي كمية جزيئات السليكون المترسبة في المحيطات لا يزال أقل من كمية السليكون المتدفقة إليها عبر النقل النهري. إن المدخلات الأيولية من جسيمات السليكون الحجري في شمال المحيط الأطلسي وغرب شمال المحيط الهادي هي نتيجة للغبار المستقر في المحيطات من الصحراء الكبرى وصحراء گوبي، على التوالي. تعد وسائل النقل النهرية المصدر الرئيسي لتدفق السليكون إلى المحيط في المناطق الساحلية، بينما يتأثر ترسيب السليكون في المحيط المفتوح بشكل كبير باستقرار الغبار الأيولى.

 الإنتاج

للمزيد من المعلومات: قائمة البلدان حسب إنتاج السليكون

يُصنع السليكون بنسبة نقاء تتراوح بين 96 و99% عن طريق الاختزال الحراري الكربوني للكوارتزيت أو الرمل باستخدام فحم الكوك عالي النقاء. ويتم هذا الاختزال في فرن القوس الكهربائي، باستخدام كمية زائدة من SiO 2 لمنع تراكم كربيد السليكون (SiC):

SiO 2 + 2 C → Si + 2 CO

2 SiC + SiO 2 → 3 Si + 2 CO

سبيكة السليكون الحديدي.

هذا التفاعل، المعروف بالاختزال الكربوني الحراري لثاني أكسيد السليكون، يُجرى عادة في وجود خردة الحديد مع كميات منخفضة من الفسفور والكبريت، مما ينتج السليكون الحديدي أو الفيروسليكون. السليكون الحديدي، هو عبارة عن سبيكة من الحديد والسليكون تحتوي على نسب متفاوتة من عنصري السليكون والحديد، ويمثل نحو 80% من إنتاج العالم من عنصر السليكون، حيث توفر الصين، المورد الرئيسي لعنصر السليكون، 4.6 مليون طن/ثانية (أو ثلثي الإنتاج العالمي) من السليكون، وأغلبها في شكل سليكون حديدي. تليها روسيا (610.000 طن)، النرويج (330.000 طن)، البرازيل (240.000 طن)، والولايات المتحدة (170.000 طن). يُستخدم السليكون الحديدي بشكل أساسي في صناعة الحديد والصلب (انظر أدناه) مع الاستخدام الأساسي كإضافة صناعة السبائك في الحديد أو الصلب ولإزالة أكسدة الصلب في مصانع الصلب المتكاملة. يبقى معظم السليكون الأولي المنتج على شكل سبيكة من حديد السليكون، ويُكرر ما يقرب من 20% فقط إلى درجة نقاء معدنية (إجمالي 1.3-1.5 مليون طن متري/سنوياً). يُكرر ما يقدر بنحو 15% من الإنتاج العالمي من السليكون الفلزي إلى درجة نقاء أشباه الموصلات.

قائمة البلدان المنتجة للسليكون
(ألف طن/سنوياً)

البلد/الإقليم	إنتاج السليكون الحديدي	إنتاج السليكون الفلزي	إجمالي إنتاج السليكون
العالم	5100	4600	9700
الصين	3500	3900	7400
روسيا	470	50	520
البرازيل	200	190	390
الولايات المتحدة	–	–	310
النرويج	180	120	300
قزخستان	130	7	137
ماليزيا	130	–	130
فرنسا	20	90	110
آيسلندا	70	20	90
بوتان	80	–	80
الهند	60	-	60
كندا	20	30	50
إسپانيا	40	5	45
أستراليا	-	40	40
پولندا	30	-	30
بلدان أخرى	130	78	208

وهناك تفاعل آخر يُستخدم أحياناً، وهو اختزال الألومنيوم الحراري لثاني أكسيد السليكون، كما يلي:

3 SiO 2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al 2O 3

ينتج عن غسل مسحوق السليكون النقي بالماء بنسبة 96-97% سليكون نقي بنسبة 98.5% تقريباً، وهو المستخدم في الصناعات الكيميائية. مع ذلك، تتطلب تطبيقات أشباه الموصلات نقاءً أعلى، ويُنتج هذا النقاء من اختزال رباعي كلوريد السليكون أو ثلاثي كلوريد السليكون. يُصنع الأول من خلال كلورة السليكون الخردة، بينما يُعد الثاني منتجاً ثانوياً لإنتاج مركب السليكون. هذه المركبات متطايرة، ولذا يمكن تنقيتها بالتقطير التجزيئي المتكرر، ثم اختزالها إلى عنصر السليكون باستخدام فلز الزنك النقي جداً كعامل اختزال. تُصهر قطع السليكون الإسفنجية المنتجة ثم يُجرى تنميها لتشكل بلورات مفردة أسطوانية، قبل تنقيتها بواسطة التكرير النطاقي. تستخدم الطرق الأخرى التحلل الحراري للسيلان أو رباعي يودوسيلان (SiI 4). هناك عملية أخرى مستخدمة وهي اختزال سداسي فلورو سيليكات الصوديوم، وهو منتج نفايات شائع في صناعة الأسمدة الفوسفاتية، بواسطة الصوديوم الفلزي: وهذا طارد للحرارة بدرجة كبيرة وبالتالي لا يتطلب أي مصدر خارجي للطاقة. يُصنع السليكون فائق الدقة بنقاء أعلى من أي مادة أخرى تقريباً: يتطلب إنتاج الترانزستور مستويات شوائب في بلورات السليكون أقل من جزء واحد لكل 10¹⁰، وفي حالات خاصة، تكون مستويات الشوائب أقل من جزء واحد لكل 10¹² مطلوبة ويتم تحقيقها.

يمكن إنتاج هياكل السليكون النانوية مباشرة من رمل السيليكا باستخدام العمليات الحرارية الفلزية التقليدية، أو نهج تخليق الاحتراق. يمكن استخدام مواد السليكون ذات البنية النانوية هذه في العديد من التطبيقات الوظيفية بما في ذلك أنود بطاريات الليثيوم-أيون، والبطاريات الأيونية الأخرى، وأجهزة الحوسبة المستقبلية مثل الميمريستورات أو تطبيقات التحفيز الضوئي.

 التطبيقات

ڤيديو مبسط عن كيفية تخليق السليكون. أولاً، احصل على صخرة. ثم حطم الصخرة. الآن، لديك 98% من ثاني أكسيد السليكون المركز. الآن، قم بتنقيته إلى 99.9% من ثاني أكسيد السليكون النقي. قم بتنقيته إلى 99.999999% من فلز الپولي‌سليكون. ضع سبائك الپولي‌سليكون في بوتقة. تسخين سبائك السليكون إلى 1.698 كلڤن. خذ بذرة أحادية البلورة صغيرة واغمسها في وعاء السليكون المنصهر. اسحب البلورة للخارج ببطء عندما تبرد. الآن، لديك بلورة أحادية من السليكون النقي. بعد ذلك، قطع سبيكة السليكون أحادية البلورية إلى شرائح رقيقة. الآن، لديك رقائق السليكون النقية. شوبها مع بعض البورون أو الفسفور. وضع مقاوم الضوء على الرقاقة. خذ قناع الكوارتز الضوئي المحفور بالكروم وقم بتسليط شعاع الليزر من خلاله على الرقاقة. سوف تتحكم الظلال التي ينتجها قناع الصورة في موقع التفاعلات الكيميائية شديدة التركيز على سطح رقاقة السليكون. الآن، قم بتطوير مقاوم الضوء. حمض حفر الأجزاء المكشوفة من الرقاقة. اغسل مقاوم الضوء المتبقي. الآن، قم بإجراء بعض التشويب المتجانس، المتغاير، الانتشاري، ضع الوصلات النحاسية، قم بالتلميع الميكانيكي الكيميائي. الآن، لقد حصلت على رقاقة السليكون النهائية. قطع رقاقة السليكون الخاصة بك إلى قطع. الآن، لديك قوالب السليكون غير المغلفة. حدد موقع الوسادات الموجودة على شريحة السليكون وقم بتوصيل أسلاك الربط أو استخدم طريقة شريحة الوجه. توفر أسلاك الربط اتصالاً كهربائياً بين المسامير الموجودة على حزمة الرقاقة والوسادات الموجودة على قالب اليليكون. وهذه هي الطريقة التي تصنع بها البذرة.

 المركبات

يُستخدم معظم السليكون صناعياً دون تنقيته، وغالباً ما يُعالج القليل نسبياً من شكله الطبيعي. يتكون أكثر من 90% من القشرة الأرضية من معادن السيليكات، وهي مركبات من السليكون والأكسجين، غالباً مع أيونات فلزية عندما تتطلب أنيونات السيليكات المشحونة سالباً الكاتيونات لموازنة الشحنة. والعديد منها لها استخدامات تجارية مباشرة، مثل الطين ورمل السيليكا ومعظم أنواع أحجار البناء. وبالتالي، فإن الغالبية العظمى من استخدامات السليكون هي عبارة عن مركبات هيكلية، إما كمعادن السيليكات أو السيليكا (ثاني أكسيد السليكون الخام). تستخدم السيليكات في صنع أسمنت پورتلاند (مصنوع في الغالب من سيليكات الكالسيوم) والذي يستخدم في ملاط البناء والجص الحديث، لكن الأهم من ذلك، يُدمج مع رمل السيليكا والحصى (عادةً ما يحتوي على معادن السيليكات مثل الگرانيت)، لصنع الخرسانة التي تعد أساساً لمعظم مشاريع البناء الصناعية الكبرى في العالم الحديث.

تُستخدم السيليكا في صناعة الطوب الحراري، وهو نوع من الخزف. توجد معادن السيليكات أيضاً في الأواني الخزفية البيضاء، وهي فئة هامة من المنتجات التي تحتوي عادةً على أنواع مختلفة من معادن الطين المحروقة (رقائق سيليكات الألومنيوم الطبيعية). ومن الأمثلة على ذلك الپورسلين، الذي يعتمد على معدن الكاولينيت السيليكاتي. يعمل الزجاج التقليدي (المعتمد على السيليكا زجاج الصودا-الجير) كذلك بالعديد من الطرق نفسها، ويستخدم أيضاً في النوافذ والحاويات. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الألياف الزجاجية المتخصصة القائمة على السيليكا في الألياف الضوئية، وكذلك لإنتاج الألياف الزجاجية للدعم الهيكلي والصوف الزجاجي للعزل الحراري.

غالباً ما يُستخدم السليكون في معالجات العزل المائي، ومركبات القولبة، وعامل تحرير العفن، والأختام الميكانيكية، ودرجة الحرارة العالية المشحمات والشموع، ومركبات المواد المانعة للتسرب. يستخدم السليكون أحياناً أيضاً في زراعة الثدي، العدسات اللاصقة، المتفجرات والتقانة النارية. يُصنع المعجون السليكوني في الأصل عن طريق إضافة حمض البوريك إلى زيت السليكون. تعمل مركبات السليكون الأخرى كمواد كاشطة عالية التقنية وخزف جديد عالي القوة يعتمد على كربيد السليكون. السليكون هو أحد مكونات بعض السبائك الفائقة.

 السبائك

يُضاف عنصر السليكون إلى الحديد الزهر المنصهر مثل السليكون الحديدي أو سبائك السليكوكالسيوم لتحسين الأداء في صب المقاطع الرقيقة ولمنع تكوين السمنتيت عند تعرضه للهواء الخارجي. إن وجود عنصر السليكون في الحديد المنصهر يعمل كمخزن للأكسجين، بحيث يمكن التحكم بشكل وثيق في محتوى كربون الصلب، الذي يجب أن يبقى ضمن حدود ضيقة لكل نوع من أنواع الصلب. يعد إنتاج واستخدام السليكون الحديدي بمثابة مراقبة لصناعة الصلب، وعلى الرغم من أن هذا الشكل من عنصر السليكون غير نقي إلى حد كبير، إلا أنه يمثل 80% من استخدام السليكون الحر في العالم. يُعد السليكون مكوناً هاماً في صلب المحولات، حيث يُعدّل خصائصه المقاومية والمغناطيسية الحديدية.

يمكن استخدام خصائص السليكون لتعديل السبائك بفلزات أخرى غير الحديد. السليكون "الصنف الفلزي" هو سليكون بدرجة نقاء 95-99%. حوالي 55% من الاستهلاك العالمي من السليكون الفلزي النقي يذهب لإنتاج سبائك الألومنيوم-السليكون (سبائك السيلومين) لأجزاء صبات الألومنيوم، بشكل أساسي للاستخدام في صناعة السيارات. تتمثل أهمية السليكون في صبات الألومنيوم في أن كمية كبيرة جداً (12%) من السليكون في الألومنيوم تشكل خليط سهل الانصهار والذي يتصلب مع انكماش حراري قليل للغاية. وهذا يقلل بشكل كبير من التمزق والشقوق الناتجة عن الإجهاد حيث تبرد سبائك الصب إلى الصلابة. كما يعمل السليكون أيضاً على تحسين صلابة الألومنيوم بشكل كبير وبالتالي مقاومة التآكل.

يُصنع السليكون الفلزي عن طريق صهر الكوارتز أو الكوارتزيت في فرن قوس كبير، في عملية اختزال حرارية كربونية بمواد تحتوي على الكربون مثل الفحم أو فحم الكوك أو الفحم النباتي ورقائق الخشب لتدوير الغاز. غالباً ما تُستخدم تقنية الإنتاج هذه بدون الحديد لإنتاج الپولي‌سليكون لإنتاج الخلايا الضوئية وأشباه الموصلات أيضاً.

 الإلكترونيات

المقالة الرئيسية: تصنيع النبائط

للمزيد من المعلومات: صناعة أشباه الموصلات

تتيح نبائط أشباه الموصلات المصنوعة من السليكون تكنولوجيا المعلومات الحديثة. التطبيقات الإلكترونية واسعة النطاق، بما في ذلك الإلكترونيات الدقيقة، الحوسبة، الإلكترونيات الضوئية، وتكنولوجيا النانو.^:25 من بين المزايا العديدة للسليكون في مجال الإلكترونيات: التكلفة المنخفضة، تكوين بلورات أحادية كبيرة نقية، وغير هشة، يوصل الحرارة المتولدة عن النشاط الكهربائي بشكل مناسب، ويمكن هيكلته بشكل دقيق وتعديله في طبقات، كما أن أكسيده عازل ممتاز.^:40

يُكرر ما يقدر بنحو 15% من الإنتاج العالمي من السليكون الفلزي إلى درجة نقاء أشباه الموصلات. وهذا عادةً ما يكون نقاء "تسعة-9" أو 99.9999999%، مادة أحادية البلورة خالية تقريباً من العيوب.

عادة ما يُنتج السليكون أحادي البلورة بهذا النقاء بواسطة طريقة تشوخرالسكي، ويستخدم لإنتاج رقائق السليكون المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات، في الإلكترونيات، وفي بعض تطبيقات الطاقة الضوئية عالية التكلفة والكفاءة. السليكون النقي هو شبه موصل أصيل، مما يعني أنه على عكس الفلزات، فإنه يقوم بتوصيل ثقوب الإلكترون والإلكترونات المنبعثة من الذرات بالحرارة. تزداد الموصلية الكهربائية للسليكون الداخلي مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب اتساع توزيع فرمي-ديراك. يتمتع السليكون النقي بموصلية منخفضة للغاية (أي مقاومية مرتفعة للغاية) لاستخدامه كعنصر دائرة في الإلكترونيات. من الناحية العملية، يكون السليكون النقي مشوب بتركيزات صغيرة من العناصر ذات عدد إلكترونات تكافؤ مختلف (عادة البورون والفسفور)، مما يزيد بشكل كبير من توصيله ويضبط استجابته الكهربائية عن طريق التحكم في عدد ونوع (موجب أو سلبي) حاملات الشحنة المنشطة. يعد هذا التحكم ضرورياً للترانزستورات، والخلايا الشمسية، وكواشف أشباه الموصلات، وغيرها من نبائط أشباه الموصلات المستخدمة في صناعة الحاسوب والتطبيقات التقنية الأخرى.

رقاقة السليكون التي تأكسدت حرارياً باستخدام بخار الماء عند 1.100°س للحصول على ~ 30 نانومتر من ثاني أكسيد السليكون. نُمشت المناطق الواضحة العارية للتشويب اللاحق.

في الدوائر المتكاملة الشائعة، تعمل رقاقة السليكون أحادي البلورة كدعم ميكانيكي للدوائر. تُنشأ عناصر الدائرة (الترانزستور) عن طريق تشويبها وتخميلها بواسطة طبقات رقيقة من أكسيد السليكون، وهو عازل يُنتج بسهولة على أسطح Si عن طريق عمليات الأكسدة الحرارية أو الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) (من بين طرق أخرى). الأكسدة الحرارية هي الأكثر شيوعاً وتتضمن تعريض Si للأكسجين في ظل ظروف محددة. يمكن التنبؤ بسمك الأكسيد الناتج من خلال نموذج ديل–گروڤ. يعد السليكون المادة الأكثر شيوعاً في الدوائر المتكاملة نظراً لثباته العالي وسهولة تشكيل أكسيده الأصلي (SiO₂). أكسيد السليكون العازل غير قابل للذوبان في الماء، مما يمنحه ميزة على الجرمانيوم. أُستخدم الجرمانيوم (Ge) في الإصدار الأول من الترانزستور ويتمتع بخصائص إلكترونية مشابهة للسليكون مثل الناقل الحركية وفجوة النطاق. ومع ذلك، فشلت التقنيات المعتمدة على الجرمانيوم في النهاية بسبب عدم استقرار GeO₂. لا يزال الجرمانيوم يستخدم في إلكترونيات أشباه الموصلات الحديثة باعتباره عامل إشابة لتعزيز حركة الثقوب في مصدر واستنزاف پموس.

يعد إنتاج السليكون أحادي البلورة مكلفاً، وعادةً ما يكون مبرراً فقط في إنتاج الدوائر المتكاملة، حيث يمكن أن تتداخل العيوب البلورية الصغيرة مع مسارات الدوائر الصغيرة. لاستخدامات أخرى، يمكن استخدام أنواع أخرى من السيلكون النقي. وتشمل هذه السليكون غير المتبلور المهدرج والسليكون الفلزي المطور (UMG-Si) المستخدم في إنتاج إلكترونيات كبيرة المساحة منخفضة التكلفة في تطبيقات مثل شاشات البلور السائل والأغشية الرقيقة ذات المساحة الكبيرة والمنخفضة التكلفة الخلايا الشمسية. تكون درجات السليكون شبه الموصلة هذه إما أقل نقاءً بقليل أو متعددة البلورات بدلاً من أحادية البلورة، وتُنتج بكميات مماثلة للسليكون أحادي البلورة: 75.000 إلى 150.000 طن متري سنوياً. ينمو سوق الدرجة الأقل بسرعة أكبر من سوق السليكون أحادي البلورة. وبحلول عام 2013، كان من المتوقع أن يصل إنتاج السليكون عديد البلورات، الذي يستخدم في الغالب في الخلايا الشمسية، إلى 200.000 طن متري سنوياً، في حين كان من المتوقع أن يظل السليكون أحادي البلورة من درجة أشباه الموصلات أقل من 50.000 طن سنوياً.

 النقاط الكمومية

تُنشأ نقاط السليكون الكمومية من خلال المعالجة الحرارية للسيلسيسكويوكسان الهيدروجيني إلى بلورات نانوية تتراوح من بضعة نانومترات إلى بضعة ميكرونات، مع عرض خصائص التألق المعتمدة على الحجم.

تظهر البلورات النانوية تحولات ستوكس كبيرة للفوتونات في النطاق فوق البنفسجي إلى فوتونات في المجال المرئي أو تحت الأحمر، اعتماداً على حجم الجسيم، مما يسمح بالتطبيقات في عرض النقاط الكمومية والمركزات الشمسية المضيئة نظراً لامتصاصها الذاتي المحدود. من فوائد استخدام النقاط الكمومية المعتمدة على السليكون بدلاً من الكادميوم أو الإنديوم هي طبيعة السليكون غير السامة والخالية من الفلزات. ومن التطبيق الأخرى للنقاط الكمومية السليكونية استشعار المواد الخطرة. تستفيد المستشعرات من خصائص الانارة للنقاط الكمومية من خلال إخماد الاستضاءة الضوئية في وجود المادة الخطرة.

هناك العديد من الطرق المستخدمة لاستشعار المواد الكيميائية الخطرة، القليل منها هو نقل الإلكترون، نقل طاقة الرنين الفلوري، وتوليد التيار الضوئي. يحدث إخماد نقل الإلكترون عندما تكون طاقة المدار الجزيئي غير المشغول الأدنى (LUMO) أقل بقليل من طاقة نطاق التوصيل للنقطة الكمومية، مما يسمح بنقل الإلكترونات بين الاثنين، مما يمنع إعادة تركيب الثقوب والإلكترونات داخل البلورات النانوية. يمكن أيضًا تحقيق التأثير بشكل عكسي من خلال جزيء مانح له المدار الجزيئي المشغول الأعلى (HOMO) أعلى قليلاً من حافة نطاق التكافؤ للنقطة الكمومية، مما يسمح للإلكترونات بالانتقال فيما بينها، وملء الفجوات ومنع إعادة التركيب. يحدث نقل طاقة الرنين الفلوري عندما يتشكل مركب بين النقطة الكمومية وجزيء التبريد. سيستمر المجمع في امتصاص الضوء لكن عندما يتم تحويل الطاقة إلى الحالة الأرضية، فإنه لا يطلق فوتونًا، مما يؤدي إلى إخماد المادة. تستخدم الطريقة الثالثة طريقة مختلفة عن طريق قياس التيار الضوئي المنبعث من النقاط الكمومية بدلاً من مراقبة شاشة العرض الضوئية. إذا زاد تركيز المادة الكيميائية المطلوبة فإن التيار الضوئي المنبعث من البلورات النانوية سوف يتغير استجابةً لذلك.

 تخزين الطاقة الحرارية

This section is an excerpt from تخزين الطاقة الحرارية § السليكون.[تحرير]

يوفر السليكون الصلب أو المنصهر درجات حرارة تخزين أعلى بكثير من الأملاح مع ما يترتب على ذلك من قدرة وكفاءة أكبر. ويجري بحثها كتقنية تخزين محتملة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. السليكون قادر على تخزين أكثر من 1 ميگاواط/ساعة من الطاقة لكل متر مكعب عند درجة حرارة 1.400°س. هناك ميزة إضافية وهي الوفرة النسبية للسليكون بالمقارنة مع الأملاح المستخدمة لنفس الغرض.

ستكون تكنولوجيا تخزين الطاقة الحرارية للسليكون الساخن قادرة على تخزين طاقة حرارية كبيرة عند درجات حرارة عالية للغاية (حوالي 1.400-2.000°س). وسيُستخدم ذلك عن طريق استخدام السليكون الأبيض الساخن المنصهر لتخزين الكهرباء الزائدة المولدة من المصادر المتجددة المحيطة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. سيعمل هذا النظام على تمكين تخزين الطاقة بكفاءة وتكلفة أقل ومدة أطول مقارنة بخيارات تخزين الحرارة المعقولة الأخرى.

 الدور الحيوي

دياتوم، محاط بجدار خلوي من السيليكا.

على الرغم من أن السليكون متوفر بسهولة في شكل سيليكات، إلا أن عدداً قليلاً جداً من العضيات يستخدمه مباشرة. الدياتومات، الراديولاريا، وإسفنجيات سيليسي تستخدم السيليكا الحيوية كمواد هيكلية لهياكلها العظمية. بعض النباتات تتراكم السيليكا في أنسجتها وتحتاج إلى السليكون لنموها، على سبيل المثال الأرز. يمكن أن تمتص النباتات السليكون على شكل حمض الأورثوسيليسيك (المعروف أيضاً باسم حمض المونوسيليسيك) وينتقل عبر الزايلم، حيث يشكل مجمعات غير متبلورة مع مكونات جدار الخلية. وقد ثبت أن هذا يؤدي إلى تحسين قوة جدار الخلية والسلامة الهيكلية في بعض النباتات، وبالتالي تقليل آكلات الحشرات العاشبة والالتهابات المسببة للأمراض. في بعض النباتات، قد يقوم السليكون أيضاً بتنظيم إنتاج المركبات العضوية المتطايرة والهرمونات النباتية التي تلعب دوراً هاماً في آليات الدفاع عن النبات. في النباتات الأكثر تقدماً، تمد السيليكا (الأوپال) الفيتوليثات بالدعم الهيكلي.

من المعروف أن العديد من المحاصيل البستانية تحمي نفسها ضد ممرضات النباتات الفطرية باستخدام السيليكا، لدرجة أن استخدام مبيد الفطريات قد يفشل ما لم يكن مصحوباً بتغذية كافية من السليكون. تعمل جزيئات الدفاع النباتية السيليكية على تنشيط بعض الفيتواليكسين، مما يعني أن بعضها عبارة عن مواد إشارة تنتج المناعة المكتسبة. عند حرمانها، ستستبدل بعض النباتات بزيادة إنتاج مواد دفاعية أخرى. تتكون الحياة على الأرض بشكل كبير من الكربون، لكن علم الأحياء الفلكي يرى أن الحياة خارج الأرض قد تحتوي على أنواع افتراضية من الكيمياء الحيوية. يعتبر السليكون بديلاً للكربون، إذ يمكنه تكوين جزيئات معقدة ومستقرة ذات أربع روابط تساهمية، اللازمة لنظير الدنا، وهو متوفر بكميات كبيرة.

 التأثيرات الميكروبية البحرية

تستخدم الدياتومات السليكون في صورة السيليكا الحيوية (bSi)، الذي يتم تناوله بواسطة پروتين نقل السليكون (SIT) ليُستخدم في الغالب في بنية جدار الخلية كفرستولات. يدخل السليكون إلى المحيط في صورة مذابة مثل حمض السيليسيك أو السيليكات. وبما أن الدياتومات هي أحد المستخدمين الرئيسيين لهذه الأشكال من السليكون، فإنها تساهم بشكل كبير في تركيز السليكون في جميع أنحاء المحيط. يشكل السليكون شكلاً يشبه العناصر الغذائية في المحيط بسبب إنتاجية الدياتوم في الأعماق الضحلة. لذلك، يكون تركيز السليكون أقل في المحيطات الضحلة وأعلى في المحيطات العميقة.

تساهم إنتاجية الدياتوم في الجزء العلوي من المحيط في زيادة كمية السليكون المصدرة إلى الجزء السفلي من المحيط. عندما تنحل خلايا الدياتومات في الطبقات العليا من المحيط، تنتقل مغذياتها، مثل الحديد والزنك والسليكون، إلى الطبقات السفلى من المحيط عبر عملية تُعرف بالثلج البحري. يتضمن الثلج البحري انتقال المواد العضوية الجزيئية إلى الأسفل عن طريق الخلط الرأسي للمواد العضوية الذائبة. وقد اقترح أن السيليكون يعتبر حاسماً لإنتاجية الدياتومات وطالما أن هناك حمض السيليسيك متاحاً لاستخدام الدياتومات، يمكن أن تساهم الدياتومات في تركيزات العناصر الغذائية الهامة الأخرى في أعماق المحيطات أيضاً.

في المناطق الساحلية، تعمل الدياتومات كعضيات عوالق نباتية رئيسية وتساهم بشكل كبير في إنتاج السيليكا الحيوية. ومع ذلك، في المحيط المفتوح، تلعب الدياتومات دوراً منخفضاً في الإنتاج السنوي العالمي للسيليكا. تساهم الدياتومات الموجودة في الدوامات شبه الاستوائية في شمال المحيط الأطلسي وشمال المحيط الهادي بحوالي 5-7% فقط من الإنتاج العالمي السنوي للسيليكا البحرية. ينتج المحيط الجنوبي حوالي ثلث السيليكا الحيوية البحرية العالمية. يُشار إلى المحيط الجنوبي بأنه يحتوي على "تقسيم بيوجيوكيميائي" حيث تُنقل كميات ضئيلة فقط من السليكون خارج هذه المنطقة.

 التغذية البشرية

هناك بعض الأدلة على أن السيليكون مهم لصحة الإنسان لأظافره، شعره، عظامه، وأنسجة الجلد، على سبيل المثال، في الدراسات التي تثبت أن النساء في مرحلة ما قبل انقطاع الطمث اللاتي يتناولن كمية أكبر من السليكون الغذائي لديهن كثافة عظام أعلى، وأن مكملات السليكون يمكن أن تزيد من حجم العظام وكثافتها لدى المرضى الذين يعانون من هشاشة العظام. السليكون ضروري لتخليق الإلاستين والكولاجين، والذي يحتوي الشريان الأبهر على أكبر كمية منه في جسم الإنسان، ويعتبر عنصر أساسي؛ ومع ذلك، من الصعب إثبات أهميته، لأن السليكون شائع جداً، وبالتالي يصعب تكاثر أعراض نقصه.

أُعترف بالسييكون باعتباره "عنصراً غذائياً" من قبل المعهد الدولي لتغذية النبات (IPNI) وباعتباره "مادة مفيدة" من قبل رابطة مسؤولي مراقبة الأغذية النباتية الأمريكية.

 السلامة

قد يتعرض الأشخاص لعنصر السليكون في مكان العمل عن طريق استنشاقه أو ابتلاعه أو ملامسته للجلد أو العين. في الحالتين الأخيرتين، يشكل السليكون خطراً طفيفاً كمهيج. وهو خطير إذا تم استنشاقه. حددت إدارة الصحة والسلامة المهنية (OSHA) الحد المسموح به للتعرض للسليكون في مكان العمل بنحو 15 ملجم/م³ للتعرض الكلي و5 ملجم/م³ للتعرض التنفسي خلال يوم عمل مدته ثماني ساعات. وحدد المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) الحد الموصى به للتعرض (REL) بنحو 10 ملجم/م³ للتعرض الكلي و5 ملجم/م³ للتعرض التنفسي خلال يوم عمل مدته ثماني ساعات.

استنشاق بلورات غبار السيليكا قد يؤدي إلى الإصابة بالسحار السليكي، وهو مرض رئوي مهني يتميز بالالتهاب والتندب على شكل آفات عقيدية في الفصوص العلوية من الرئتين.

 انظر أيضاً

• سليكون غير بلوري
• سليكون أسود
• أشباه موصلات تساهمية
• قائمة البلدان حسب إنتاج السليكون
• قائمة منتجي السليكون
• سليكون أحادي البلورة
• سليكون متعدد البلورات
• إلكترونيات السليكون المطبوعة
• سيليسين
• سلك نانوي سليكوني
• سليكون تومباك
• سليكون ڤالي
• منطقة سپروس پاين للتعدين
• ترانزيستور

 Bibliography

• Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart (2012). Organic Chemistry (2nd ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927029-3.
• King, R. Bruce (1995). Inorganic Chemistry of Main Group Elements. Wiley-VCH. ISBN 978-0-471-18602-1.
• Zulehner, Werner; Neuer, Bernd; Rau, Gerhard. "Silicon". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a23_721. {{cite encyclopedia}}: Cite has empty unknown parameter: |authors= (help)
• Kamal, Kamal Y. (2022). "The Silicon Age: Trends in Semiconductor Devices Industry". Journal of Engineering Science and Technology Review. 15 (1): 110–115. doi:10.25103/jestr.151.14.

 وصلات خارجية

• "Silicon Video - The Periodic Table of Videos - University of Nottingham". www.periodicvideos.com. Retrieved 2021-06-08.
• "CDC - NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards - Silicon". www.cdc.gov. Retrieved 2021-06-08.
• "Physical properties of Silicon (Si)". www.ioffe.ru. Retrieved 2021-06-08.
• The Story of Solar-Grade Silicon. Asianometry. 30 November 2022.