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有机硅在单晶硅是一种比较活泼的非金属元素,是晶体材料的重要组成部

从常见的半导体器件到航空航天领域,从太阳能电池到建筑领域,从人工关节到医疗领域,硅已经渗透到我们生活中的方方面面,这篇文章我们就来看看硅是如何大行其道的。
 
一、建筑领域
 
 
 
      由于  SiO₂气凝胶的纳米孔超级绝热性能,在建筑节能领域有着广泛和极具潜力的应用价值。 SiO₂气凝胶是一种由纳米SiO₂骨架组成的半透明材料,它的孔隙率高达99%,密度为0.05~0.2g/cm3,凝胶尺寸小于50nm,孔直径小于分子的平均自由程,热导率常温下为0.03~0.05W/m·K。
 
      建筑用SiO₂气凝胶应用有气凝胶节能窗、气凝胶涂料、气凝胶新型板材和屋面太阳能集热器。
 
1.气凝胶节能窗
 
      硅气凝胶材料有很小的孔结构,比可见光的波长小很多。在气凝胶中,约占体积95%~99% 的空气存于比空气平均自由路径小的细孔中。由于气凝胶具有足够的抗压强度,能平衡外界气压,抽真空的气凝胶窗就可以作为透明的分隔条使用。
 
2.气凝胶新型板材
 
 
 
      采用气凝胶生产新型绝热板材是现在国内外研究的重点之一。它是一种防潮、防霉、防菌、抗紫外线的完全可循环材料,它不易燃烧且在其生产过程中对臭氧层无任何的破坏作用。
 
3.屋面太阳能集热器
 
      随着纳米孔超级绝热材料生产技术的不断成熟和生产成本的不断降低,该材料首先应用在家庭及单位的太阳能热水器。将纳米孔超级绝热材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器,将比现有太阳能热水器的集热效率提高一倍以上,而热损失下降到现有水平的30% 以下。
 
二、医疗领域
 
      自1960年以来,由于硅橡胶的优良性能,特别是优良的生物相容性与生物惰性,使其在医疗器械领域中得到了越来越多的应用。
 
      在已有的医用硅橡胶应用中,短期接触型的医疗器械包括人体导液管、输液管、喉管、有机硅粘结剂和润滑剂等;长期植入型医疗产品包括人工乳房、人工关节、面部植入体等等。
 
      医疗领域中有机硅材料的分类和特点:
 
1.硅油
 
      线性聚硅氧烷在一定的分子量范围内为流动的液态,其粘度随聚硅氧烷的分子量的增大而增加,同时侧基上官能团的位阻效应或极化效应也对其有很大影响,使硅油的粘度增加。工业上直接使用的硅油,不含有反应性基团,侧基多为甲基、苯基、氨基、氟丙基等,多作为润滑剂、消泡剂,在各个领域均有广泛应用。
 
2.硅凝胶
 
      线性聚硅氧烷的侧基上含有可反应性的基团,在催化剂和一定条件下,可与交联剂进行反应,交联后形成柔软透明的有机硅凝胶。线性聚硅氧烷上的活性基团包括Si-OH, Si-O-Me, Si-O-Et, Si-Vi等,交联剂为含两个或两个以上官能团的硅烷或硅氧烷,催化剂为Sn, Pt、胺等。
 
3.有机硅压敏胶
 
      有机硅压敏胶是由高分子量甲基乙烯基聚硅氧烷和硅树脂组成,并加人一定量溶剂进行稀释。在使用有机硅压敏胶时,一般加入过氧化物或Pt催化剂、交联剂硫化后使用,但在有些场合也在不硫化时使用。
 
4.有机硅弹性体
 
      有机硅弹性体是有机硅材料在医疗领域中最广泛的应用,大致可分为高温混炼胶(HCE)、液体硅橡胶(LSR)和室温硫化硅橡胶(RTV)。其中,高温混炼胶是由高分子量的甲基乙烯基聚硅氧烷、补强填料和加工助剂混炼而成。在未硫化前呈橡皮泥状,加人硫化剂后,在加热条件下进行交联反应,形成三维网络结构的弹性体。
 
三、电子器件领域
 
1.单晶硅
 
       单晶硅是一种比较活泼的非金属元素,是晶体材料的重要组成部分,处于新材料发展的前沿。
 
单晶硅主要用于制作半导体元件,是制造半导体硅器件的原料,用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域,在军事电子设备中也占有重要地位。
 
2.多晶硅
 
      多晶硅,是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。
 
3.硅晶片(包括切片、磨片、抛光片)
 
      硅属于半导体材料,其自身的导电性并不是很好。然而,可以通过添加适当的掺杂剂来精确控制它的电阻率。制造半导体前,必须将硅转换为晶圆片(wafer)。这要从硅锭的生长开始。单晶硅是原子以三维空间模式周期形成的固体,这种模式贯穿整个材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体单独形成的,不能用来做半导体电路。多晶硅必须融化成单晶体,才能加工成半导体应用中使用的晶圆片。加工硅晶片生成一个硅锭要花一周到一个月的时间,这取决于很多因素,包括大小、质量和终端用户要求。超过75%的单晶硅晶圆片都是通过Czochralski(CZ,也叫提拉法)方法生长的。
 
4.外延片
外延是半导体工艺当中的一种。在bipolar工艺中,硅片最底层是P型衬底硅(有的加点埋层);然后在衬底上生长一层单晶硅,这层单晶硅称为外延层;再后来在外延层上注入基区、发射区等等。最后基本形成纵向NPN管结构:外延层在其中是集电区,外延上面有基区和发射区。外延片就是在衬底上做好外延层的硅片。
 
半导体制造商主要用抛光Si片(PW)和外延Si片作为IC的原材料。外延产品应用于4个方面,CMOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。CMOS产品是外延片的最大应用领域,并被IC制造商用于不可恢复器件工艺,包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM(动态随机存取存储器)。分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇异”(exotic)半导体类包含一些特种产品,它们要用非Si材料,其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。掩埋层半导体利用双极晶体管元件内重掺杂区进行物理隔离,这也是在外延加工中沉积的。
 
       非晶硅的化学性质比晶体硅活泼。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅。纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。采用辉光放电气相沉积法就得含氢的非晶硅薄膜,氢在其中补偿悬挂链,并进行掺杂和制作pn结。主要用于提炼纯硅,制造太阳电池、薄膜晶体管、复印鼓、光电传感器等。
 
四、石油工业领域
 
      纳米硅材料具有比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,经表面修饰后,在油田降压增注、三次采油以及水处理中已开始逐步应用,显示出巨大的潜力。
 
      纳米硅材料是 21 世纪科研领域的热点,其组成主要以二氧化硅为主,具有极强的憎水亲油能力以及无毒、无味、无污染等特性,离散颗粒尺寸一般为10 ~ 500 nm。纳米硅材料具有颗粒尺寸小、比表面大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等多种纳米效应,可广泛应用于各个领域,具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。
 
五、航空航天领域
 
     SiO₂气凝胶改性后还可以用作气体过滤器、化学催化剂载体、无害高效杀虫剂等。例如,吡啶是焦化废水中典型的难降解有机物,用TiO2/SiO2气凝胶作为催化剂,在紫外光照射下可有效地降解吡啶。
 
   

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