ｹｲ素 | 関西版ﾓﾊﾞｲﾙｳｨｷﾍﾟﾃﾞｨｱ

TOP > ｹｲ素

一般特性
			ｱﾙﾐﾆｳﾑ - ｹｲ素 - ﾘﾝ
炭素	[[周期表	>
元素の名前順一覧	ｹｲ素, Si, 14
分類	半金属
元素の族>族, 元素の周期	14 (IVB), 第3周期元素
, ﾓｰｽ硬度>硬度	2330 kg?m^－3, 6.5
単体の色	暗灰色 120px
原子特性
原子量	原子質量単位>u
原子半径（計測値）	ﾋﾟｺﾒｰﾄﾙ>pm
共有結合半径	111 pm
ﾌｧﾝﾃﾞﾙﾜｰﾙｽ半径>VDW半径	210 pm
電子配置	[ﾈｵﾝ>Ne]3s² 3p²
電子殻	2, 8, 4
酸化数（酸化物）	2, 4（両性酸化物）
結晶構造	面心立方構造
物理特性
相	固体 (反磁性)
融点	ｹﾙﾋﾞﾝ>K (1414 摂氏
[[沸点	3538 K (3265 ℃, 5909 °F)
ﾓﾙ体積	12.06 × 10^－3 m³?mol^－1
気化熱	384.22 kJ?mol^－1
融解熱	50.55 kJ?mol^－1
蒸気圧	ﾊﾟｽｶﾙ>Pa (1687 K)
音速>音の伝わる速さ	no data
その他
ｸﾗｰｸ数	ﾊﾟｰｾﾝﾄ>%
電気陰性度	ﾗｲﾅｽ･ﾎﾟｰﾘﾝｸﾞ>ﾎﾟｰﾘﾝｸﾞ）
比熱容量	700 J?kg^－1?K^－1
導電率	^-4 m^－1?ｵｰﾑ>Ω^－1
熱伝導率	148 W?m^－1?K^－1
ｲｵﾝ化ｴﾈﾙｷﾞｰ	第1: 786.5 kJ?mol^－1
	第2: 1577.1 kJ?mol^－1
	第3: 3231.6 kJ?mol^－1
	第4: 4355.5 kJ?mol^－1
	第5: 16091 kJ?mol^－1
	第6: 19805 kJ?mol^－1
	第7: 23780 kJ?mol^－1
	第8: 29287 kJ?mol^－1
	第9: 33878 kJ?mol^－1
	第10: 38726 kJ?mol^－1
（比較的）安定同位体

同位体	天然存在比>NA	半減期	崩壊ﾓｰﾄﾞ>DM	崩壊ｴﾈﾙｷﾞｰ>DE/ﾒｶﾞ	DP
²⁸Si	92.23%	中性子14個で安定同位体
²⁹Si	4.67%	中性子15個で安定
³⁰Si	3.1%	中性子16個で安定				>
注記があらへん限り[[国際単位系使用及び標準状態下｡

ｹｲ素（珪素､硅素､けいそ､羅Silicium ）は原子番号14の元素であるんや｡元素記号はSi｡地球の主要な構成元素のひとつ｡半導体部品はどｴﾗｲ重要な用途であるんや｡
常温､常圧で安定な結晶構造は､ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ構造｡比重は 2.33､融点 1410 ℃（1420 ℃）､沸点は 2600 ℃（他に 2355 ℃､3280 ℃ちう実験値あり）｡ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ構造のｹｲ素は､1.12 eV のﾊﾞﾝﾄﾞｷﾞｬｯﾌﾟ（実験値）をもつ半導体であるんや｡こら非金属であるが､圧力（静水圧）を加えると､βｽｽﾞ構造に構造相転移する｡このβｽｽﾞ構造のｹｲ素は金属であるんや｡周期表においてすぐ上の元素は炭素やけど､その常温常圧での安定相であるｸﾞﾗﾌｧｲﾄ構造は､ｹｲ素においては安定な構造として存在できへん｡

おｰまかなﾄｺ

地殻中にしこたま存在するため鉱物の構成要素として重要なんやし､ｹｲ酸塩鉱物として大きなｸﾞﾙｰﾌﾟを形成しておる｡これにはSi-O-Si結合の多様性を反映したさまざまな鉱物が含まれておる｡
せやけどながら生物とんかかわりは薄く､知られておるんは､放散虫･珪藻･ｼﾀﾞ植物･ｲﾈ科植物やらなんやらにおいて二酸化ｹｲ素んかたちでの骨格への利用に留まる｡栄養素としての必要性はあんまり判っておらへん｡炭素とｹｲ素との化学的な類似から､SFやらなんやらではｹｲ素を主要な構成物質とするｹｲ素生物が想定される事があるんや｡
ﾊﾞﾝﾄﾞｷﾞｬｯﾌﾟが常温付近で利用するために適当な大きさであること､ﾎｳ素やﾘﾝやらなんやらの不純物を微量添加させることにより､p型半導体､n型半導体のいずれにもなることやらなんやらから､電子工学上重要な元素であるんや｡半導体部品として利用するためには高純度である必要があり､このため精製技術が盛んに研究されてきたちうわけや｡現在､ｹｲ素は 99.9999999999999% (15N) まで純度を高められはる｡また､Si(111)基板はAFMやSTMの標準試料としてよう用いられはる｡

用途

赤外光学系

ｹｲ素は赤外域（波長 2 から 6 μm）で高い透過率があり､ﾚﾝｽﾞや窓の素材に用いられはる｡波長 4 μm の屈折率は 3.4255｡

半導体

最も重要な用途としては､四塩化ｹｲ素やﾄﾘｸﾛﾛｼﾗﾝやらなんやらから作られはる高純度ｹｲ素が半導体作成に用いられはることが挙げられはる｡また､液晶ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲの TFT や太陽電池にはｱﾓﾙﾌｧｽｼﾘｺﾝや多結晶ｼﾘｺﾝやらなんやらが用いられはる｡砒化ｶﾞﾘｳﾑや窒化ｶﾞﾘｳﾑやらなんやらの化合物半導体の基板にｼﾘｺﾝを用いれば大幅な低価格化が可能なんやし､様々な研究が進められておる｡

ｹｲ素含有合金

電気炉における製鉄材料として鉄1ﾄﾝあたり4ｷﾛ前後のｹｲ素が添加されるほか､ｹｲ素合金として製鉄の脱酸素剤に用いられはる｡そのほかに､ｹｲ素を混ぜた鋼板(ｹｲ素鋼板)は､うず電流による損失が少ななるため､変圧器に使われておる｡ｱﾙﾐﾆｳﾑ工業の分野でもｹｲ素の合金が使われておる｡また､鉛ﾚｽ黄銅にも添加される｡

ｹｲ素含有ｾﾗﾐｯｸｽ類

ｹｲ素の酸化物(ｼﾘｶ)を原料とするｶﾞﾗｽは､窓その他で使われるほか､繊維状にしたｸﾞﾗｽｳｰﾙは断熱材や吸音材としたかて用途があるんや｡ｾﾞｵﾗｲﾄは､ｲｵﾝ交換体､吸着剤せやへんかったら､有機化学工業における触媒ともなっておる｡ｼﾘｶｹﾞﾙとしては､どｴﾗｲ利用しやすい乾燥剤になる｡
炭化ｹｲ素は､耐火材や抵抗体として使われたり､高いﾓｰｽ硬度 (9.5) を持つために､研磨剤として使われる｡その他のｹｲ素化合物として､ｱﾙﾐﾉｹｲ酸塩が粘土に含まれ､陶器やｾﾒﾝﾄ･煉瓦やらなんやらｾﾗﾐｯｸｽと呼ばれる材料の主成分になっておるほか､ｶﾙｼｳﾑ化合物を除去する働きから､水の精製に使われるやらなんやらしておる｡

ｹｲ酸塩･ｹｲ素樹脂

ｹｲ酸塩は､さまざまな形で地殻上に存在しとり､天然に存在するｹｲ素化合物のほとんどずぅぇえええぇぇええんぶが二酸化ｹｲ素およびｹｲ酸塩であるんや｡工業的にも広く用いられ､ｶﾞﾗｽ､陶磁器やらなんやら､枚挙に暇があらへん｡
ｱｽﾍﾞｽﾄは､繊維状のｹｲ酸塩鉱物なんやし､その耐薬品性や耐火性からよりどｴﾗｲ昔は建材やらなんやらに広く用いられはったが､人体への悪影響が問題になりよったため､使用量は激減しておる｡やまとではｱｽﾍﾞｽﾄによる健康被害が社会問題となり､労災認定や健康被害を受けた国民に対しての補償問題､また､依然としてようけ残るｱｽﾍﾞｽﾄの撤去に対しての問題を抱える｡
有機基を有するｹｲ素二次元および三次元酸化物はｼﾘｺｰﾝと呼ばれる｡このもんは､優れた耐熱性､耐薬品性､低い毒性やらなんやらの有用な性質を示し､油状のもんはﾜｯｸｽ､熱媒体､消泡剤やらなんやらに用いられはる｡三次元ｼﾘｺｰﾝはｺﾞﾑ弾性を示し､ｺﾞﾑ状のもんはﾎｰｽやﾁｭｰﾌﾞ､樹脂状のもんは塗料や絶縁材､接着剤やらなんやら各種の用途に利用される｡

製法

原料

工業用ｹｲ素の主原料はSiO₂から成る二酸化ｹｲ素（珪石､珪砂､ｼﾘｶとも）であるんや｡やまと国内の埋蔵量は2億ﾄﾝあるとされるが､ｱﾙﾐﾆｳﾑと同様､酸化物から還元するには大量の電力を必要とするため､金属ｼﾘｺﾝの状態になってから輸入するんが一般的であるんや｡電力の安い国が金属ｼﾘｺﾝの供給源となるため､これまで中国､ﾌﾞﾗｼﾞﾙ､ﾛｼｱ､南ｱﾌﾘｶ､ﾉﾙｳｪｰやらなんやらが主要な供給国やったが､近年はｵｰｽﾄﾗﾘｱ､ﾏﾚｰｼｱ､ﾍﾞﾄﾅﾑやらなんやらも注目されておるちう｡
世界の二酸化ｹｲ素の埋蔵量は極めて潤沢なんやし､高純度のもんも世界に広く分布する｡二酸化ｹｲ素#埋蔵量を参照｡

精製

金属ｸﾞﾚｰﾄﾞ(MG)ｼﾘｺﾝ

ｹｲ素の単体はｶｰﾎﾞﾝ電極を使用したｱｰｸ炉を用いて､二酸化ｹｲ素を還元して得る｡この際､精製されたｹｲ素は純度99%程度のもんであるんや｡

SiO₂ + C → Si + CO₂

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

高純度ﾎﾟﾘｼﾘｺﾝ

さらに純度を高めるには､塩素と反応させ四塩化ｹｲ素とし（ｶﾞｽ化）､これを蒸留して純度の高い製品を得る｡

Si + 2Cl₂ → SiCl₄

SiCl₄ + 2 H₂ → Si + 4 HCl

半導体ｸﾞﾚｰﾄﾞ(SEG)ｼﾘｺﾝ

集積回路やらなんやら半導体素子に使用する超高純度のｹｲ素(純度11N以上)は､上記の高純度ｼﾘｺﾝからさらにFZ（ﾌﾛｰﾃｨﾝｸﾞｿﾞｰﾝ）法やらなんやらのｿﾞｰﾝﾒﾙﾃｨﾝｸﾞや Cz（ﾁｮｸﾗﾙｽｷｰ）法やらなんやらの単結晶成長法による析出工程を経ることで製造される｡ｿﾞｰﾝﾒﾙﾄ法では融解帯に不純物が濃縮する過程を繰り返すことで高純度のｹｲ素を得る｡Cz 法においては偏析を利用して高純度化するため､原料であるﾎﾟﾘｼﾘｺﾝ（多結晶珪素）にはどｴﾗｲ純度の高いもんが要求される｡半導体に利用するには基本的に結晶欠陥（転位）のへん単結晶が必要やから､FZ 法においても Cz 法においても単結晶を回転させながら一旦細くし､転位を外に追い出した段階で結晶の径を大きくするっちうことによりきまったとこの大きさの結晶を得る｡FZ 法は大口径化に向かいへんため､産業用に使用されておるｼﾘｺﾝｳｪｰﾊの大部分は Cz 法によって製造されておる｡現在製品化されておるｼﾘｺﾝｳｪｰﾊの径は直径 300 mm までであるんや｡

太陽電池ｸﾞﾚｰﾄﾞ(SOG)ｼﾘｺﾝ

太陽電池にはSEGｸﾞﾚｰﾄﾞほどの超高純度は必要なく､7N程度の純度で済み､また多結晶でもええ｡このため上記の単結晶ｼﾘｺﾝｲﾝｺﾞｯﾄの端材やらなんやらが原料に利用されてきたが､需要の増大に伴い､専用の太陽電池ｸﾞﾚｰﾄﾞ（ｿｰﾗｰｸﾞﾚｰﾄﾞ）ｼﾘｺﾝの生産法が開発されておる｡手順としては上記の半導体ｸﾞﾚｰﾄﾞの精製工程を簡略化した方法のほか､下記のような手法が用いられはる｡半導体ｸﾞﾚｰﾄﾞに比べ､使用するｴﾈﾙｷﾞｰやｺｽﾄが数分の１以下になるとされる手法が多い（ｿｰﾗｰｸﾞﾚｰﾄﾞｼﾘｺﾝを参照）｡

流動床炉(FBR)法：種結晶を気流で巻き上げながら､表面にｼﾘｺﾝを析出させる｡

冶金法：金属ｸﾞﾚｰﾄﾞｼﾘｺﾝから冶金学的手法によって直接ｿｰﾗｰｸﾞﾚｰﾄﾞｼﾘｺﾝを製造する｡

水ｶﾞﾗｽ化法：珪石(SiO₂)を水ｶﾞﾗｽ化した状態で高純度化してから還元する｡

NEDO溶融精製法：金属ｸﾞﾚｰﾄﾞｼﾘｺﾝを電子ﾋﾞｰﾑやﾌﾟﾗｽﾞﾏで溶融させて特定の不純物を除いたあと､一方向凝固させる｡

ｿｰﾗｰｸﾞﾚｰﾄﾞｼﾘｺﾝは2006年頃には高純度ｼﾘｺﾝ市場の約半分を占め､今後もその割合は拡大すると見られておる｡今後はｿｰﾗｰｸﾞﾚｰﾄﾞが高純度ｼﾘｺﾝ生産量の大部分を占め､半導体級は特殊品になっていくと予測されておる｡また太陽電池用ｼﾘｺﾝ原料は2008年までは供給の逼迫で価格が高止まりしとったが､2009年からは価格の低下が予測されておる｡