Що таке SiH4 у хімії? Опис властивостей та застосування гідриду кремнію

SiH4 (тетраетосилан) - це хімічна сполука, що складається з кремнію та водню. Воно входить до класу газоподібних кремнієвих гідридів, відомих як силані.

SiH4 - високостисливий газ без кольору та запаху. Він є одним із найпростіших представників групи силанів. Це з'єднання активно використовується в електронній та напівпровідниковій промисловості.

SiH4 є надзвичайно сприйнятливим до навколишнього середовища і може вибухати при взаємодії з повітрям або киснем. Тому під час роботи з цим з'єднанням вживаються суворі заходи безпеки.

SiH4 в хімії: основні властивості та структура

SiH4, або метан кремнію, є відомою газоподібною сполукою. Водень і кремній - обидва дуже поширені елементи в природі, і спільне утворення SiH4 відбувається при взаємодії цих елементів.

Основний інтерес представляє структура SiH4. Якщо ви придивитеся, ви побачите, що чотири атоми водню оточують один атом кремнію, утворюючи тетраедральну геометрію. Це означає, що це атоми перебувають у рівній відстані друг від друга, і кути між зв'язками становлять приблизно 109,5 градусів. Цей тип структури є особливістю багатьох сполук, включаючи СН4 (метан).

Тепер давайте поговоримо про деякі цікаві властивості SiH4.

• Газоподібний стан: SiH4 є газом при кімнатній температурі та тиску. Це означає, що воно випаровується за нормальних умов, що робить його більш зручним для використання в різних процесах та додатках.
• Висока реактивність: SiH4 має високу реактивність і може брати участь у різних хімічних реакціях.Наприклад, воно може реагувати з киснем, утворюючи оксид кремнію (SiO2). Ця властивість робить його корисним у виробництві різних матеріалів, включаючи скло та напівпровідники.
• Погана розчинність: SiH4 погано розчиняється у воді. Це означає, що його можна зберігати та транспортувати без необхідності використання особливих умов чи розчинників.

Хімічні властивості SiH4

Однією з хімічних характеристик SiH4 є реакція з оксидами металів, утворюючи сполуки типу SiO2 і SiO4. Ці сполуки широко використовуються в промисловості, зокрема у виробництві скла та кераміки, завдяки своїм унікальним фізичним та хімічним властивостям.

Ще одним важливим аспектом хімічних властивостей SiH4 є його реакція із киснем. При взаємодії з киснем SiH4 може утворювати оксид кремнію (SiO2) та воду (H2O). Ця реакція особливо важлива при використанні моносилання напівпровідникової промисловості, де він використовується для депозиції плівок кремнію. Тонке покриття SiO2, отримане реакції SiH4 з киснем, є одним з основних матеріалів для створення транзисторів та інших електронних пристроїв.

Ще однією цікавою властивістю SiH4 є реакція з кислими розчинами, такими як соляна кислота (HCl). При контакті з HCl моносилань може утворювати кремнійорганічні сполуки, які широко використовуються в органічній хімії та промисловості.

І нарешті, SiH4 має важливу хімічну характеристику — його здатність полімеризуватися. За певних умов моносилання може утворювати складні багатоатомні кластери, які мають багатий спектр застосувань, від каталізу реакцій до створення нових матеріалів.

Отже, ви бачите, що SiH4 є безліч дивовижних хімічних властивостей.Він широко використовується в різних галузях промисловості та науці та відіграє важливу роль у розвитку нових технологій. Хто б міг подумати, що такий простий газ може мати таку вражаючу хімічну різноманітність?

Фізичні властивості SiH4

Фізичні властивості SiH4 це те, що ми зазвичай спостерігаємо, коли стикаємося з цією речовиною у звичайних умовах. Ну, або хоч би вчимося про них у шкільній хімії. Якийсь час тому я сам намагався заглибитися в цю тему і можу поділитися з тобою найцікавішими фактами про фізичні властивості SiH4.

Ось деякі з них:

• Агрегатний стан: SiH4 є газоподібною речовиною при кімнатній температурі та тиску. Молекули SiH4 дуже швидко рухаються та розлітаються у просторі, тому ми не можемо побачити їх неозброєним оком.
• Колір: SiH4 байдужий до кольору. Ти можеш сказати, що він просто нудний і непомітний, але це зовсім не означає, що він нецікавий чи важливий.
• Запах: Це одна з найцікавіших властивостей SiH4 – його запах. Чи не впевнений, чи чув ти колись про нього? Ні? Повір, коли ти вперше пізнаєш цей запах, він назавжди залишиться у твоїй пам'яті. Але, напевно, ти зрозумів, що я жартую, адже SiH4 не має запаху. Добре, що немає неприємного запаху, такого, як у сірководню чи аміаку.
• Щільність: Щільність SiH4 - це, по суті, кількість маси SiH4, що займає певний обсяг простору. У мене є питання для тебе: думаєш, щільність SiH4 буде більшою або меншою за щільність повітря? Якщо ти думаєш, що вони однакові, то ти маєш рацію! Обидва складаються з різних газів, тому їх густини приблизно однакові.

Це лише кілька фізичних властивостей SiH4.Вони можуть здатися простими і незначними, але кожна деталь має своє значення і допомагає нам краще зрозуміти хімічну природу SiH4. , Що відповідь у тебе вже є.

Застосування SiH4 у промисловості та наукових дослідженнях

1. Виробництво напівпровідникових пристроїв

SiH4 широко застосовується у виробництві напівпровідникових пристроїв, таких як мікрочіпи та сонячні панелі. Він використовується для допування кремнію, що дозволяє створювати різні електронні компоненти з потрібними провідністю та властивостями. можливими.

2. Виробництво покриттів

SiH4 також використовується у виробництві різних покриттів. Коли SiH4 піддається розкладанню, він утворює тонкий шар оксидів кремнію, який може бути нанесений на різні поверхні. Це дозволяє створювати захисні та декоративні покриття з різними властивостями. і подряпин.

3. Хімічні реакції та синтез

SiH4 використовується в різних хімічних реакціях і синтезі органічних і неорганічних сполук. Наприклад, він може бути використаний для синтезу різних фторидів кремнію, які широко застосовуються у виробництві скла та емалі.

Підсумок

SiH4 є важливим з'єднанням у промисловості та наукових дослідженнях.Його унікальні властивості дозволяють застосовувати його у виробництві напівпровідникових пристроїв, виробництві покриттів та синтезі різних сполук. Завдяки SiH4, ми можемо створювати нові технології та матеріали, які покращують наше повсякденне життя та сприяють розвитку наукових досліджень.

Схожі записи:

Структура льюїсу sih4 за 6 кроків (із зображеннями)

Якщо ви нічого не зрозуміли з наведеного вище зображення структури Льюїса SiH4, залишайтеся зі мною, і ви отримаєте докладне покрокове пояснення того, як намалювати структуру Льюїса SiH4.

Отже, давайте перейдемо до етапів малювання структури Льюїса SiH4.

Кроки з малювання структури Льюїса SiH4

Крок 1: Знайдіть загальну кількість валентних електронів у молекулі SiH4.

Щоб знайти загальну кількість валентних електронів у молекулі SiH4 , передусім необхідно знати, скільки валентних електронів є у атомі кремнію , соціальній та атомі водню.
(Валентні електрони — це електрони, що знаходяться на зовнішній орбіті будь-якого атома.)

Тут я розповім вам, як легко знайти валентні електрони кремнію, а також водню за допомогою таблиці Менделєєва.

Сумарна кількість валентних електронів у молекулі SiH4

→ Валентні електрони, що віддаються атомом кремнію:

Кремній – елемент 14 групи таблиці Менделєєва. [1] Таким чином, валентні електрони, присутні в кремнії, дорівнюють 4 .

Ви можете побачити 4 валентні електрони, присутні в атомі кремнію, як показано на зображенні вище.

→ Валентні електрони, що віддаються атомом водню:

Водень - елемент 1 групи таблиці Менделєєва. [2] Отже, валентний електрон, присутній у водні, дорівнює 1 .

Ви можете бачити, що в атомі водню є лише один валентний електрон, як показано на зображенні вище.

Загальна кількість валентних електронів у молекулі SiH4 = валентні електрони, пожертвовані 1 атомом кремнію + валентні електрони, подаровані 4 атомами водню = 4 + 1(4) = 8 .

Крок 2: Виберіть центральний атом

Щоб вибрати центральний атом, слід пам'ятати, що у центрі залишається найменше електронегативний атом.

(Пам'ятайте: якщо в даній молекулі є водень , завжди поміщайте водень зовні.)

Тут дана молекула є SiH4 і містить атом кремнію (Si) і атоми водню (H).

Значення електронегативності атома кремнію (Si) та атома водню (H) ви можете побачити в таблиці Менделєєва вище.

Якщо порівняти значення електронегативності кремнію (Si) і водню (H), то атом водню менш електронегативний. Але згідно з правилом, ми повинні тримати водень зовні.

Тут атом кремнію (Si) є центральним атомом, а атоми водню (H) зовнішніми атомами.

Крок 3: З'єднайте кожен атом, помістивши з-поміж них пару електронів.

Тепер у молекулі SiH4 ми маємо розмістити електронні пари між атомом кремнію (Si) та атомами водню (H).

Це вказує на те, що кремній (Si) та водень (H) хімічно пов'язані один з одним у молекулі SiH4.

Крок 4: Зробіть зовнішні атоми стабільними

На цьому етапі необхідно перевірити стабільність зовнішніх атомів.

Тут на ескізі молекули SiH4 видно, що зовнішні атоми це атоми водню.

Ці зовнішні атоми водню утворюють дуплет і тому є стабільними.

Додатково на етапі 1 ми розрахували загальну кількість валентних електронів, присутніх у молекулі SiH4.

Молекула SiH4 має всього 8 валентних електронів , і всі ці валентні електрони використовуються у наведеній вище діаграмі SiH4.

Отже більше немає пар електронів, які можна було б утримувати на центральному атомі.

Отже, тепер перейдемо до наступного кроку.

Крок 5. Перевірте октет центрального атома.

На цьому етапі вам необхідно перевірити, чи стабільний центральний атом кремнію (Si) чи ні.

Щоб перевірити стабільність центрального атома кремнію (Si), необхідно перевірити, чи утворює октет.

На зображенні вище ви можете побачити, що атом кремнію утворює байт. Це означає, що він має 8 електронів.

І тому центральний атом кремнію стабільний.

Тепер перейдемо до останнього кроку, щоб перевірити, чи стабільна структура Льюїса SiH4 чи ні.

Крок 6: Перевірте стабільність структури Льюїса

Тепер ви підійшли до останнього кроку, на якому вам необхідно перевірити стабільність структури Льюїса SiH4.

Стійкість структури Льюїса можна перевірити, використовуючи формальне поняття заряду.

Коротше кажучи, нам потрібно знайти формальний заряд атомів кремнію (Si), а також атомів водню (H), присутніх в молекулі SiH4.

Для розрахунку формального податку необхідно використати таку формулу:

Формальний заряд = Валентні електрони – (Сполучні електрони)/2 – Незв'язувальні електрони

Ви можете побачити кількість електронів, що зв'язують і незв'язують, для кожного атома молекули SiH4 на зображенні нижче.

Для атома кремнію (Si):
Валентні електрони = 4 (бо кремній знаходиться в групі 14)
Зв'язувальні електрони = 8
Незв'язуючі електрони = 0

Для атома водню (H):
Валентний електрон = 1 (оскільки водень перебуває у групі 1)
Зв'язувальні електрони = 2
Незв'язуючі електрони = 0

З наведених вище розрахунків формального заряду видно, що атом кремнію (Si), а також атом водню (H) мають «нульовий» формальний заряд.

Це вказує на те, що зазначена вище структура Льюїса SiH4 стабільна і подальших змін у зазначеній вище структурі SiH4 немає.

У наведеній вище точковій структурі Льюїса SiH4 ви також можете представити кожну пару електронів, що зв'язують (:) як одинарний зв'язок (|). В результаті вийде наступна структура Льюїса SiH4.

Сподіваюся, що ви повністю зрозуміли всі кроки, описані вище.

Для більшої практики та кращого розуміння ви можете спробувати інші структури Льюїса, наведені нижче.

Спробуйте (або хоча б подивіться) ці структури Льюїса для кращого розуміння:

Моносилан в електроніці: патентний аспект і не лише

Ми продовжуємо розповідати про різні хімічні речовини, їх застосування в електроніці та патентному аспекті. Цього разу мова йтиме про SiH4.

Де використовується силан?

У мікроелектроніці та напівпровідникової продукції затребуваний газоподібний силан SiH4 та його хлор похідні (хлорсилани, зокрема трихлорсилан) для 4-х застосувань, включаючи:

1. Виробництво полікремнію. Силан використовується у виробництві полікремнію, який є основою виготовлення сонячних елементів, інтегральних схем та інших електронних пристроїв. Полікремний має високу електропровідність і стабільність, що робить його ключовим матеріалом для сучасних технологій;
2. Напівпровідникове ізоляційне покриття. Для нанесення напівпровідникового ізоляційного покриття використовують газоподібний силан високої чистоти. Це покриття дозволяє ізолювати різні шари напівпровідникових компонентів, забезпечуючи їхнє нормальне функціонування;
3. Транзистори, мікросхеми пам'яті та інтегральні схеми. Силан використовується для виробництва компонентів, таких як транзистори, мікросхеми пам'яті та інтегральні схеми.Ці елементи є основою роботи сучасних комп'ютерів, смартфонів та інших електронних пристроїв;
4. Фотоприймачі та сонячні елементи. Силан відіграє важливу роль у виробництві фотоприймачів та сонячних елементів. Сонячні панелі, виготовлені з використанням моносилану, мають високу ефективність і довговічність, що сприяє розвитку сонячної енергетики.

Також силан застосовується у виробництві клеїв, герметиків, гум, як захисний агент для фармацевтичних проміжних продуктів.

Структура споживання моносилану у світі така:

• інтегральні схеми (ІВ) – 40%,
• плоскі індикаторні панелі (LCD-TFT-дисплеї, РК-дисплеї) – 30%,
• фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії (багатоперехідні та тонкоплівкові фотоелементи, що просвітлюють покриття фотоелементів) – близько 25%,
• інші області – 5%.

Силан часто називають моносиланом, щоб уникнути двозначностей і відокремити від полімерів на базі силану.

Моносилан/хлорсилани у світі

Світові потужності з виробництва моносилану оцінювали у 30 000 тонн. Вони зосереджені у трьох десятках компаній Японії, Ю. Кореї, ЄС, США та Китаю, зокрема:

• Tokuyama Corp., Японія,
• REC Group, Норвегія,
• MEMC Electronic Materials, Італія,
• Evonik (раніше Degussa), Німеччина,
• Air Liquide (Denal Silane – спільне підприємство з Denka Group), Франція,
• Mitsui Chemicals, Японія.

За даними, що публікуються, комерційний ринок моносилана на порядок менше внутрішнього споживання моносилана його виробниками.

Силан у Росії

В Росії споживаються технічні сорти силану, які застосовуються для виробництва клеїв, герметиків, мастик, скловолокон, покрівельних та теплоізоляційних матеріалів.

До 2020 рокусилан та його похідні випускав виробничий майданчик «Сілан» — колишній Данківський хімічний завод, філія АТ «Державний науково-дослідний інститут хімії та технології елементоорганічних сполук» (структура ОНВП «Технологія», що входить у «Ростех»). Причинами закриття стала відсутність попиту на продукцію підприємства та старіння обладнання, що негативно вплинуло на промислову безпеку. Експерти зазначають, що підприємство вже довгий час було нерентабельним та не витримувало конкурентної боротьби.

Обсяг споживання силанів у Росії становить близько 2000 т/рік. Попит покривається постачанням з Китаю.

У відкритій науково-технічній базі ЄДІСУ НДДКРТ числиться 330 робіт на «силан», більшість з медицини, біології, спектроскопії, органічної хімії. За електронікою лише одна НДР «Плазмохімічний синтез мікро- та нанокристалічних композитів алмаз-карбід кремнію з високою теплопровідністю для застосувань в електроніці» (2018-2021 рр.), Проект РФФІ № 18-29-11023 виконаний на базі Лабораторії алмазних матеріалів Центру Есте ІОФ РАН.

Також дослідження напівпровідників з використанням силану ведуться у низці вузів, зокрема МИРЕА, МІФІ, МФТІ, інститутів, наприклад, Інститут проблем технології мікроелектроніки РАН, а також підприємств електронної промисловості РФ.

Патентний аспект

На порталі Google.Patents зазначено 68403 документів на червень 2024 року за символом SiH4. Серед патентовласників ТОП-5 лідерів склали:

На першому місці із серйозним відривом від конкурентів розташувалася група Canon із Японії. На четвертому місці можна побачити фірму патентного короля Японії Ямадзакі Сюмпея. Йому ми вже присвятили окремий матеріал на Хабрі. Далі йдуть американські та одна японська компанії. На другому місці єдина американська корпорація у нашому короткому списку – Applied Materials. Як бачите, всі інші японські організації. Вражаючий результат.

Популярні теми патентів у рамках міжнародної патентної класифікації мають такий вигляд:

• напівпровідникові прилади H01L - 53,2%;
• покриття C23C - 22,5%;
• скорочення викидів парникових газів Y02E - 14,3%;
• захист природи у різних процесах, зокрема. біологічне очищення Y02P - 14%;
• електрографія; електрофотографія; магнітографія G03G - 12,9%;
• неметалеві елементи; їх сполуки C01B – 4,8%;
• технічні пристрої Y10S - 4,5%;
• газорозрядні та вакуумні електронні прилади H01J - 4,2%;
• друковані схеми; корпуси або деталі електричних приладів H10K – 3,3%;
• оптичні пристрої G02F - 3,1%.

Лідирують патенти, присвячені різноманітним пристроям електроніки взагалі, причому з величезним відривом напівпровідникові прилади (H01L); прикладами є US20210202462A1 та US11670577B2.

А що ж у Росії?

У основі ФІПС на «силан» числиться 449 патентів РФ на винаходи, з яких лише 136 діючих.

За підкласом "напівпровідникові прилади H01L" можна знайти 5 патентів. Перерахуємо їх усі:

№2614080 — «Пасивація поверхні кремнієвих пластин методом магнетронного розпилення» (використовують щонайменше один хімічний реагент, вибраний із групи, що складається з силану (SiH4), Si2H6, Si2H4, SiF4, Si2F6 та інших сполук) та №2632267 на основі кристалічного кремнію та лінія по його виробництву» (магнетронне розпилення кремнієвої мішені в атмосфері силану та аргону) від ТОВ «НТЦ тонкоплівкових технологій в енергетиці при ФТІ ім.А.Ф. Іоффе».

№2754808 — «Модуль проточного осередку та спосіб його отримання» (перша функціоналізована молекула приєднана до першого силану або похідного силану) від «Ілюміну, Інк.» (US) та «Ілюміну Кембридж Лімітед» (GB).

№2764040 - «Вирощування епітаксійного 3C-SiC на монокристалічному кремнії» (прекурсор кремнію містить силан або хлор силан) від «Дзе Юніверсіті оф Уорік» (GB).

№2805132 - "Спосіб виготовлення напівпровідникового приладу" (в газовому середовищі SiH4-CO2-HCI-H2) від Чеченського державного університету ім. А.А. Кадирова.

Тобто із 5 патентів 2 належать закордонним організаціям.

Патентів РФ, що діють, на корисні моделі всього 4 штуки, наприклад, №181920 «Імуночип для трепонема-специфічної серологічної діагностики сифілісу». При цьому за підкласом «напівпровідникові прилади H01L» лише одна: №196513 «Високоплотний електронний модуль високощільний електронний модуль» (сополімер силану) від «МІРЕА».

Програма для ЕОМ одна - №2022684133 "Параметризатор кінетичного блоку радикальної полімеризації на базі штучного інтелекту" від ТОВ "ЙОСЯ".

Топологій інтегральної схеми немає.

Висновок

Протягом багатьох років моносилан залишається важливим компонентом у різних галузях, включаючи напівпровідникову промисловість та виробництво сонячних елементів. Однак його використання вимагає суворого дотримання заходів безпеки через його високу токсичність та пірофорність. Цей газ продовжує відігравати важливу роль у сучасних технологіях, і його застосування продовжуватиметься у майбутньому.

Ринок моносилану у 2023 р. становив $1,3 млрд. За даними дослідження до 2030 р. світовий ринок зростатиме з темпом 7,7% на рік. Частки ЄС, Північної Америки та Азіатсько-тихоокеанського регіону приблизно рівні та мало зміняться.

Росія електронним силаном глибокий аутсайдер. Патенти на напівпровідники можна перерахувати на пальцях. І це сумно.

Корисне від Онлайн Патент: