日常生活中的电子信息材料

日常生活中的电子信息材料

我们日常所用的电子产品计算机中集成电路制作材料为硅，硅是重要的半导体材料，化学元素符号Si，电子工业上使用的硅应具有高纯度和优良的电学和机械等性能。硅是产量最大、应用最广的半导体材料，它的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。

最先制得晶形硅的是最先制出纯铝的法国化学家亨利得维尔。1854年，得维尔用强电池组电解石英砂和冰晶石的熔融物，在阴极上得到一种灰色性脆的粒状金属（硅铝合金)。当这种金属颗粒冷却后，析出了一种有金属光泽的片状晶体。通过实验可知，这种片状晶体的化学性质与硅粉的性质完全相同，因而确信此片状晶体就是晶体硅。硅是比锗更经得起当今器件工艺发展考验的半导体材料。在1966年已经生产40000千克半导体级硅(单晶超纯硅，杂质含量小于1／109)，从而制造出40亿个元件。到1966年，用于这方面的硅已超过锗的用量。

由硅晶体管和其他元件组成的集成电路，集成度越来越高，规模越来越大，而元件则愈做愈小。一个直径为75毫米的硅片，可集成几万至几十万甚至几百万个元件，形成了微电子学，从而出现了微型计算机、微处理机等。在铝衬底上，生长—层10—25微米厚的多晶硅薄膜，就是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料，适于在太空和地面上使用。硅是同位素电池中换能器的主要材料。换能器是将同位素热源发出的热能转变为电能的装置。硅-锗合金做的换能器，其工作温度可达1000oC，机械性能和抗氧化性能很好，高温下不易蒸发和中毒，无论在真空还是空气中都能工作。航天飞机用的耐热而极轻的硅瓦，在航天飞机返回大气层时，它可保护机身不受超过1000oC高温的损伤。天然橡胶和合成橡胶的使用温度，一般都在150oC以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围宽广。硅橡胶具有优异的耐臭氧、耐碱、生理惰性(对人机体没有不良影响，可做为某些脏器的修复材料，如人工关节)和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此硅橡胶已广泛用于航空、宇宙航行技术、电气及电子工业部门。用110—2

甲基乙烯基硅橡胶做生胶原料，乙炔炭黑做填料可制成导电橡胶，是电子表中连接集成电路与液晶屏的理想导电材料。硅酸在水中能形成凝胶，因此可制得一种吸附剂---硅胶。硅胶是一种极性吸附剂，对H20等极性物质都有较强的吸附能力，工业上常用做干燥剂和吸附剂。硅酸钠的水溶液叫水玻璃，工业上称做泡花碱。木材及织物浸过水玻璃后，可以防腐，不易着火。硅溶胶是以Si02为基本单位的水中分散体。在羊毛纺织过程中，它可做为轻纺上浆的胶剂，以减少羊毛纤维的断头率，在涂层中含有硅溶胶，可提高无机纤维材料的表面抗热强度。在搪瓷器皿制造业中，加进硅溶胶以后，可降低膨胀系数，以改进对四氟乙烯的粘合性，在玻璃及玻璃陶瓷中亦有同样效果。若在玻璃中掺入25—30％的硅溶胶，可制得优质的硅硼酸玻璃。某些钠硼硅酸盐玻璃(含氧化钠、氧化硼和氧化硅)经过热处理，原子重新组合，就分为互不熔混的两部分。一部分主要含氧化硅，另一部分主要含氧化钠和氧化硼。如果再用酸处理，那么二氧化硅将不受酸的影响而留下来，而氧化钠和氧化硼则溶于酸中，剩下众多的空洞一—微

孔，于是就制成了用途广泛的微孔玻璃。将微孔玻璃烘干，烧结，就得到高硅氧透明玻璃。它耐高温，热稳定性好，透紫外线能力强，可在多方面代替石英玻璃，适宜做高温观察窗，比如宇宙飞船上的观察窗。迫过它去观察物体，不会发生变形，因为它的光学均匀性也很好。如果在普通的钠铝硼硅酸盐玻璃中加入少量卤化银做感光剂，微量铜做增感剂，用玻璃常规工艺熔化，退火再经适当处理，就能制成卤化银光色玻璃。它会因光的强度不同而改变颜色，在强光防护、显示装置、光信息存储、交通工具上的挡风玻璃等方面，都有重要用途。

纯净的二氧化硅晶体叫做石英。石英在1600℃熔化成粘稠液体，内部变为无规则形态，再遇冷时，因为粘度大而不易再结晶，成为石英玻璃。它有很多特殊的性质，如能让可见光和紫外光通过，可用它制造紫外灯和光学仪器；它的膨胀系数小，能经受温度的剧变，而且有很好的抗酸性（除氢氟酸外），因此，常被用来制造高级化学器皿。医用激光器配置的光能传输系统是用石英光导纤维制成的，它不仅细巧轻便，灵活自如，且可将激光能量传入人体内脏器官进行医治。一种新型水泥——双快水泥，具有快凝、快硬的特点。它浇注一天后的强度，相当于普通水泥浇注7-28天的强度，可用于滑升模板施工、预应力混凝土构件、砌块的快速成型和脱模，也可用它做矿井巷道喷射混凝土或机械铸件造型自硬砂。用废轮胎等制成海绵状弹性体，与粘结性强的乳剂和水泥混和搅拌，就成为橡胶水泥。它克服了原有混凝土的缺点，能防止龟裂、剥离和吸水，既可用于铺路，又可用于建筑物上。SiC叫碳化硅，又叫金刚砂。它具有类似金刚石的结构，硬度极大，而且分解温度又很高，所以在工业上大量用作磨料。

氮化硅陶瓷的强度和硬度很高，抗热震性和耐化学腐蚀性好，摩擦系数小且有自润性，是一种优越的耐磨材料。用氮化硅陶瓷制成的机械密封圈，经过几百到几千小时的运转后，磨损较小，寿命较原用材料提高几倍到十几倍。以碳化硅陶瓷为基板的碳化硅远红外辐射板，被加热到一定温度后，能辐射出2—15微米以上的长波红外线，它对有机物，高分子物质以及对远红外线有强烈吸收峰的含水物质等，有很高的干燥效率。目前，这种碳化硅远红外辐射板巳用于自行车、缝纫机、家俱；木材，皮革，纺织，食品及粮食作物的干燥。

在研究和生产中，硅材料与硅器件相互促进。在第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度很低又非单晶体。1950年制出第一只硅晶体管，提高了人们制备优质硅单晶的兴趣。1952年用直拉法(CZ)培育硅单晶成功。1953年又研究出无坩埚区域熔化法(FZ)，既可进行物理提纯又能拉制单晶。1955年开始采用锌还原四氯化硅法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求。1956年研究成功氢还原三氯氢硅法。对硅中微量杂质又经过一段时间的探索后，氢还原三氯氢硅法成为一种主要的方法。到1960年，用这种方法进行工业生产已具规模。硅整流器与硅闸流管的问世促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。60年代硅外延生长单晶技术和硅平面工艺的出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，而且促使集成电路迅速发展。80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。硅还是有前途的太阳电池材料之一。用多晶硅制造太阳