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二氧化硅的基本性质以及合成方法
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  • 发布时间:2020-01-18 11:28
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  二氧化硅(化学式:SiO2)是一种酸性氧化物,对应水化物为硅酸(H2SiO3)。二氧化硅是硅最重要的化合物之一。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%,其存在形态有结晶型和无定型两大类,统称硅石。
 
  基本性质
 
  物理性质
 
  二氧化硅又称硅石,化学式SiO₂。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。
 
  结晶二氧化硅因晶体结构不同,分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体,大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色,有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体,有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中,硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键,硅原子位于正四面体的中心,4个氧原子位于正四面体的4个顶角上,许多个这样的四面体又通过顶角的氧原子相连,每个氧原子为两个四面体共有,即每个氧原子与两个硅原子相结合。SiO₂是表示组成的最简式,仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。二氧化硅是原子晶体。
 
  SiO₂中Si—O键的键能很高,熔点、沸点较高(熔点1723℃,沸点2230℃)。折射率大约为1.6.
 
  各种二氧化硅产品的折射率为:石英砂为1.547;粉石英为1.544;脉石英为1.542;硅藻土为1.42~1.48;气相白炭黑为1.46;沉淀白炭黑为1.46。
 
  自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅,是低等水生植物硅藻的遗体,为白色固体或粉末状,多孔、质轻、松软的固体,吸附性强。
 
  化学性质
 
  化学性质比较稳定。不溶于水也不跟水反应。是酸性氧化物,不跟一般酸反应。气态氟化氢跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的浓强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。跟多种金属氧化物在高温下反应生成硅酸盐。用于制造石英玻璃、光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维,陶瓷等。二氧化硅的性质不活泼,它不与除氟、氟化氢以外的卤素、卤化氢以及硫酸、硝酸、高氯酸作用(热浓磷酸除外)。常见的浓磷酸(或者说焦磷酸)在高温下即可腐蚀二氧化硅,生成杂多酸[2],高温下熔融硼酸盐或者硼酐亦可腐蚀二氧化硅,鉴于此性质,硼酸盐可以用于陶瓷烧制中的助熔剂,除此之外氟化氢也可以可使二氧化硅溶解的酸,生成易溶于水的氟硅酸: SiO₂ + 4HF = SiF4↑ + 2H₂O
 
  合成方法
 
  [5]1.离子交换法∶将稀释的水玻璃过滤除杂质后经阳离子交换,阴离子交换,调节pH值,经蒸发或超滤浓缩,制得硅溶胶。
 
  2. 硅粉法∶蒸馏水及氢氧化钠(试剂级)加到反应槽中,升温至65℃,加入一定量的氨水调整碱度,在搅拌下分批加入硅粉,控制温度在8.3℃以下,硅粉加完后继续搅拌2~3h,待pH值降至9~10时,取样分析,反应完成后在搅拌下冷却至50℃,经自然过滤,制得硅溶胶产品。未反应的硅粉可回收再用。
 
  3.硫酸法∶将稀释的水玻璃与稀硫酸混合于20~30℃进行反应制得硅凝胶,老化4h,用2%~2.5%的稀硫酸浸泡1h,用40~50℃的水洗涤,在转筒烘干器中脱水至含水量≤80%,经烘干至水分含量≤10%,置于500~550℃活化炉中活化,经筛选制得粗孔微球硅胶。
 
  4.炼制生铁时,废渣中含有二氧化硅。
 
  在微电子工艺中, SiO 2 薄膜因其优越的电绝缘性和工艺的可行性而被广泛采用。在半导体器件中, 利用SiO 2 禁带宽度可变的特性, 可作为非晶硅太阳电池的薄膜光吸收层, 以提高光吸收效率; 还可作为金属2氮化物2氧化物2半导体(MN SO ) 存储器件中的电荷存储层, 集成电路中CMOS 器件和SiGeMOS 器件以及薄膜晶体管(TFT ) 中的栅介质层等。此外, 随着大规模集成电路器件集成度的提高, 多层布线技术变得愈加重要, 如逻辑器件的中间介质层将增加到4~ 5 层, 这就要求减小介质层带来的寄生电容。鉴于此, 现在很多研究者都对低介电常数介质膜的种类、制备方法和性能进行了深入研究。对新型低介电常数介质材料的要求是: 在电性能方面具有低损耗和低耗电; 在机械性能方面具有高附着力和高硬度; 在化学性能方面要求耐腐蚀和低吸水性; 在热性能方面有高稳定性和低收缩性。目前普遍采用的制备介质层的SiO 2, 其介电常数约为4. 0, 并具有良好的机械性能。如用于硅大功率双极晶体管管芯平面和台面钝化, 提高或保持了管芯的击穿电压, 并提高了晶体管的稳定性。这种技术, 完全达到了保护钝化器件的目的, 使得器件的性能稳定、可靠, 减少了外界对芯片沾污、干扰, 提高了器件的可靠性能。
 
  20 世纪80 年代末期, Si 基SiO₂光波导无源和有源器件的研究取得了长足的发展, 使这类器件不仅具有优良的传导特性, 还将具备光放大、发光和电光调制等基本功能, 在光学集成和光电集成器件方面很有应用前景, 可作为波导膜、减反膜和增透膜。随着光通信及集成光学研究的飞速发展, 玻璃薄膜光波导被广泛应用于光无源器件及集成光路中。制备性能良好的用作光波导的薄膜显得至关重要。集成光路中光波导的一般要求: 单模传输、低传输损耗、同光纤耦合效率高等。波导损耗来源主要分为材料吸收、基片损耗、散射损耗三部分。通过选用表面粗糙度高、平整的光学用玻璃片或预先溅射足够厚的SiO₂薄膜的普通玻璃基片, 使波导模瞬间场分布远离粗糙表面,以减少基底损耗。激光器用减反膜的研究也取得了很大的进展。中国工程物理研究院与化学所用溶胶凝胶法成功地研制出紫外激光SiO2 减反膜。结果表明, 浸入涂膜法制备的多孔SiO2 薄膜比早期的真空蒸发和旋转涂膜法制备的SiO₂薄膜有更好的减反射效果。在波长350nm 处的透过率达到98%以上, 紫外区的最高透过率达到99%以上。该SiO₂薄膜有望用于惯性约束聚变( ICF) 和X 光激光研究的透光元件的减反射膜。目前在溶胶凝胶工艺制备保护膜、增透膜方面也取得了一些进展。此法制备的SiO₂光学薄膜在惯性约束聚变的激光装置中已成为一种重要的手段,广泛地应用于增透光学元件上, 如空间滤波器、窗口、靶室窗口或打靶透镜。在谐波转换元件KDP晶体上用溶胶工艺镀制保护、增透膜,能改善KDP 晶体的工作条件,提高谐波光束的质量与可聚焦功率。