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二氧化硅的性質(zhì)及其在單晶硅太陽池中的應(yīng)用
二氧化硅是半導(dǎo)體加工過程中最重要的材料之一。它可以用來制造晶體管、集成電路、太陽能電池板等器件。以下是小編整理的二氧化硅的性質(zhì)及其在單晶硅太陽池中的應(yīng)用，希望對(duì)大家有所幫助。
二氧化硅的性質(zhì)及用途
首先，二氧化硅是一種無色、無味、無毒的粉末，具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。它具有以下性質(zhì)：
1. 高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)：二氧化硅的熔點(diǎn)為1713℃，沸點(diǎn)為2230℃，具有很高的熱穩(wěn)定性。
2. 高硬度：二氧化硅硬度高，是天然石英的主要成分之一。
3. 高抗腐蝕性：二氧化硅不易被酸、堿和其他化學(xué)物質(zhì)腐蝕。
4. 高透明度：二氧化硅對(duì)光線的透明度高，因此廣泛用于制造光學(xué)器件。
5. 高絕緣性：二氧化硅是一種優(yōu)良的絕緣材料，可以用于制造電子元件。
由于這些獨(dú)特的性質(zhì)，二氧化硅有許多廣泛的用途，包括：
1. 制造玻璃：二氧化硅是玻璃的主要成分之一，可以用于制造各種玻璃制品，如窗戶、鏡子、瓶子等。
2. 制造陶瓷：二氧化硅可以用于制造各種陶瓷制品，如瓷器、瓷磚等。
3. 制造光學(xué)器件：由于二氧化硅的高透明度和化學(xué)穩(wěn)定性，它可以用于制造光學(xué)器件，如透鏡、光纖等。
4. 制造電子元件：二氧化硅是一種優(yōu)良的絕緣材料，可以用于制造電子元件，如集成電路、電容器等。
5. 制造防火材料：二氧化硅可以用于制造各種防火材料，如防火涂料、防火玻璃等。
二氧化硅的性質(zhì)及其在單晶硅太陽池中的應(yīng)用
二氧化硅的主要物理性質(zhì)
二氧化硅（SiO2）是自然界中廣泛存在著的物質(zhì)。水晶石、石英砂就是天然的二氧化硅。在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中使用的石英管和石英器皿都是用二氧化硅材料制成的。
純凈的二氧化硅是一種無色透明的固體。除了少數(shù)屬于石英晶體外，大多數(shù)均屬于無定形二氧化硅。這種無定形二氧化硅沒有固定的熔點(diǎn)，其軟化溫度約為1500℃左右。硅半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中所制備的各種二氧化硅都屬于無定形二氧化硅。二氧化硅的物理性質(zhì)常用其物理參數(shù)來表示。其中有幾個(gè)與半導(dǎo)體器件制造關(guān)系較密切的物理參數(shù)：電阻率、介電強(qiáng)度、介電常數(shù)、密度和折射率。這里作一些簡(jiǎn)要介紹。
1. 二氧化硅的電阻率
在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，二氧化硅的物理性質(zhì)十分穩(wěn)定，而且具有較高的電阻率。 二氧化硅薄膜的電阻率隨制備方法的不同而有所不同。例如熱氧化生長(zhǎng)二氧化硅薄膜的電阻率可達(dá)1015～1016Ω .cm，采用陽極氧化及CVD方法生成的二氧化硅膜的電阻率卻只有107～108Ω .cm。這是因?yàn)楹笳呷菀滓腚s質(zhì)，降低了電阻率。同時(shí)溫度對(duì)電阻率也有影響，溫度高，雜質(zhì)的電離率和遷移率都增大，使電阻率降低。為了獲得絕緣性能好的二氧化硅薄膜，必須保證工藝的潔凈度，防止雜質(zhì)沾污。
2. 二氧化硅的介電強(qiáng)度和介電常數(shù)
二氧化硅薄膜是一種良好的電介質(zhì)，其介電性能的好壞通常用介電強(qiáng)度和介電常數(shù)來表示。前者表示耐壓程度，后者是表示電容器特性的重要參數(shù)。二氧化硅薄膜的介電強(qiáng)度可
達(dá)106～107V/cm，可以承受較高的電壓，適宜做絕緣薄膜。介電強(qiáng)度與薄膜的致密度、均勻性及雜質(zhì)含量均有直接關(guān)系。二氧化硅的介電常數(shù)為3.9左右。
3. 二氧化硅的密度和折射率
二氧化硅的密度是其致密程度的標(biāo)志。密度大則表示二氧化硅的致密程度高。制備方法不同，所得到的二氧化硅薄膜的密度也不同，但差別不是太大，一般在2.0～2.3g/cm3之間。
二氧化硅的折射率是表征光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。它與二氧化硅的密度有關(guān)，一般為1.45。密度較大的二氧化硅薄膜有稍大的折射率。
二氧化硅的應(yīng)用
氣相二氧化硅是極其重要的高科技超微細(xì)無機(jī)新材料之一，由于其粒徑很小，因此比表面積大，表面吸附力強(qiáng)，表面能大，化學(xué)純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)具特性，有著不可取代的作用。氣相二氧化硅俗稱“超微細(xì)白炭黑”，廣泛用于各行業(yè)作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，塑料充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，高級(jí)日用化妝品填料及噴涂材料、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領(lǐng)域。并為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新材料基礎(chǔ)和技術(shù)保證。由于它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點(diǎn)等方面與常規(guī)材料相比顯示出特異功能，因而得到人們的極大重視。
一、電子封裝材料
有機(jī)物電致發(fā)光器材（OELD）是目前新開發(fā)研制的一種新型平面顯示器件，具有開啟和驅(qū)動(dòng)電壓低，且可直流電壓驅(qū)動(dòng)，可與規(guī)模集成電路相匹配，易實(shí)現(xiàn)全彩色化，發(fā)光亮度高（>105cd/m2）等優(yōu)點(diǎn)，但OELD器件使用壽命還不能滿足應(yīng)用要求，其中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)之一就是器件的封裝材料和封裝技術(shù)。目前，國外（日、美、歐洲等）廣泛采用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂，即通過兩者之間的共混、共聚或接枝反應(yīng)而達(dá)到既能降低環(huán)氧樹脂內(nèi)應(yīng)力又能形成分子內(nèi)增韌，提高耐高溫性能，同時(shí)也提高有機(jī)硅的防水、防油、抗氧性能，但其需要的固化時(shí)間較長(zhǎng)（幾個(gè)小時(shí)到幾天），要加快固化反應(yīng)，需要在較高溫度（60℃至100℃以上）或增大固化劑的使用量，這不但增加成本，而且還難于滿足大規(guī)模器件生產(chǎn)線對(duì)封裝材料的要求（時(shí)間短、室溫封裝）。將經(jīng)表面活性處理后的氣相二氧化硅充分分散在有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂封裝膠基質(zhì)中，可以大幅度地縮短封裝材料固化時(shí)間（為2.0-2.5h），且固化溫度可降低到室溫，使OELD器件密封性能得到顯著提高，增加OELD器件的使用壽命。
二、樹脂復(fù)合材料
樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等特點(diǎn)，但近年來材料界和國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)對(duì)樹脂基材料使用性能的要求越來越高，如何合成高性能的樹脂基復(fù)合材料，已成為當(dāng)前材料界和企業(yè)界的重要課題。氣相二氧化硅的問世，為樹脂基復(fù)合材料的合成提供了新的機(jī)遇，為傳統(tǒng)樹脂基材料的改性提供了一條新的途徑，只要能將氣相二氧化硅顆粒充分、均勻地分散到樹脂材料中，完全能達(dá)到全面改善樹脂基材料性能的目的。
1、提高強(qiáng)度和延伸率。環(huán)氧樹脂是基本的樹脂材料，把氣相二氧化硅添加到環(huán)氧樹脂中，在結(jié)構(gòu)上完全不同于粗晶二氧化硅（白炭黑等）添加的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，粗晶SiO2一般作為補(bǔ)強(qiáng)劑加入，它主要分布在高分子材料的鏈間中，而氣相二氧化硅由于表面嚴(yán)重的配位不足、龐大的比表面積以及表面欠氧等特點(diǎn)，使它表現(xiàn)出極強(qiáng)的活性，很容易和環(huán)氧環(huán)狀分子的氧起鍵合作用，提高了分子間的鍵力，同時(shí)尚有一部分氣相二氧化硅顆粒仍然分布在高分子鏈的空隙中，與粗晶SiO顆粒相比較，表現(xiàn)很高的流漣性，從而使氣相二氧化硅添加的環(huán)氧樹脂材料強(qiáng)度、韌性、延展性均大幅度提高。
2、提高耐磨性和改善材料表面的光潔度。氣相二氧化硅顆粒比SiO2要小100—1000倍，將其添加到環(huán)氧樹脂中，有利于拉成絲。由于氣相二氧化硅的高流動(dòng)性和小尺寸效應(yīng)，使材料表面更加致密細(xì)潔，摩擦系數(shù)變小，加之納米顆粒的高強(qiáng)度，使材料的耐磨性大大增強(qiáng)。
3、抗老化性能。環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料使用過程中一個(gè)致命的弱點(diǎn)是抗老化性能差，其原因主要是太陽輻射的280—400nm波段的紫外線中、長(zhǎng)波作用，它對(duì)樹脂基復(fù)合材料的破壞作用是十分嚴(yán)重的，高分子鏈的降解致使樹脂基復(fù)合材料迅速老化。而氣相二氧化硅可以強(qiáng)烈地反射紫外線，加入到環(huán)氧樹脂中可大大減少紫外線對(duì)環(huán)氧樹脂的降解作用，從而達(dá)到延緩材料老化的目的。
三、塑料
利用氣相二氧化硅透光、粒度小，可以使塑料變得更加致密，在聚苯乙烯塑料薄膜中添加二氧化硅后，不但提高其透明度、強(qiáng)度、韌性，而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。通過在普通塑料聚氯乙烯中添加少量氣相二氧化硅后生產(chǎn)出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。利用氣相二氧化硅對(duì)普通塑料聚丙烯進(jìn)行改性，主要技術(shù)指標(biāo)（吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強(qiáng)度等）均達(dá)到或超過工程塑料尼龍6的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用，產(chǎn)品成本大幅下降，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。
四、涂料
我國是涂料生產(chǎn)和消費(fèi)大國，但當(dāng)前國產(chǎn)涂料普遍存在著性能方面的不足，諸如懸浮穩(wěn)定性差、觸變性差、耐候性差、耐洗刷性差等，致使每年需進(jìn)口大量高質(zhì)量的涂料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些涂料生產(chǎn)企業(yè)敢于創(chuàng)新，成功地實(shí)現(xiàn)了氣相二氧化硅在涂料中的應(yīng)用，這種納米改性涂料一改以往產(chǎn)品的不足，經(jīng)檢測(cè)其主要性能指標(biāo)除對(duì)比率不變外，其余均大幅提高，如外墻涂料的耐洗刷性由原來的一千多次提高到一萬多次，人工加速氣候老化和人工輻射暴露老化時(shí)間由原來的250小時(shí)（粉化1級(jí)、變色2級(jí)）提高到600小時(shí)（無粉化，漆膜無變色，色差值4.8），此外涂膜與墻體結(jié)合強(qiáng)度大幅提高，涂膜硬度顯著增加，表面自潔能力也獲得改善。
五、橡膠
橡膠是一種伸縮性優(yōu)異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，生產(chǎn)橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均為黑色，且檔次不高。而氣相二氧化硅在我國的問世為生產(chǎn)出色彩新穎、性能優(yōu)異的新一代橡膠制品奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。 在普通橡膠中添加少量氣相二氧化硅后，產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性等性能均達(dá)到或超過高檔橡膠制品，而且可以保持顏色長(zhǎng)久不變。納米改性彩色三元乙丙防水卷材，其耐磨性、抗拉強(qiáng)度、抗折性、抗老化性能均提高明顯，且色彩鮮艷，保色效果優(yōu)異。彩色輪胎的研制工作也取得了一定的進(jìn)展，如輪胎側(cè)面膠的抗折性能由原來的10萬次提高到50萬次以上，有望在不久的將來，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)汽車、摩托車輪胎的彩色化。
六、顏（染）料
有機(jī)顏（染）料雖具有鮮艷的色彩和很強(qiáng)的著色力，但一般耐光、耐熱、耐溶劑和耐遷移性能往往不及無機(jī)顏料。通過添加氣相二氧化硅對(duì)有機(jī)顏（染）料進(jìn)行表面改性處理，不但使顏（染）料抗老化性能大幅提高，而且亮度、色調(diào)和飽和度等指標(biāo)也均出現(xiàn)一定程度的提高，性能可與進(jìn)口高檔產(chǎn)品相媲美，極大地拓寬了有機(jī)顏（染）料的檔次和應(yīng)用范圍。
七、陶瓷
用氣相二氧化硅代替氣相三氧化二鋁添加到95瓷里，既可以起到納米顆粒的作用，同時(shí)它又是第二相的顆粒，不但提高陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性，而且提高了材料的硬度和彈性模量等性能，其效果比添加A1203更理想。 利用氣相二氧化硅來復(fù)合陶瓷基片，不但提高了基片的致密性、韌性和光潔度，而且燒結(jié)溫度大幅降低。此外，氣相二氧化硅在陶瓷過濾網(wǎng)、剛玉球等陶瓷產(chǎn)品中應(yīng)用效果也十分顯著。
八、密封膠、粘結(jié)劑
密封膠、粘結(jié)劑是量大、面廣、使用范圍寬的重要產(chǎn)品。它要求產(chǎn)品粘度、流動(dòng)性、固化速度達(dá)最佳條件。我國在這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品比較落后，高檔的密封膠和粘結(jié)劑都依賴進(jìn)口。國外在這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品已經(jīng)采用納米材料作改性劑，而氣相二氧化硅是首選材料，它主要是在氣相二氧化硅表面包敷一層有機(jī)材料，使之具有憎水性，將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結(jié)構(gòu)，即氣相二氧化硅小顆粒形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制膠體流動(dòng)，加快固化速度，提高粘結(jié)效果，由于氣相二氧化硅顆粒尺小從而也增加了產(chǎn)品的密封性和防滲性。
九、玻璃鋼制品
玻璃鋼制品雖然有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關(guān)專家通過超聲分散方法將氣相二氧化硅添加到膠衣樹脂中，與未加氣相二氧化硅的膠衣做性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其莫氏硬度由原來的2.2級(jí)（相當(dāng)于石膏的硬度）提高到2.8~2.9級(jí)（3級(jí)是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因納米顆粒與有機(jī)高分子產(chǎn)生接枝和鍵合作用，使材料韌性增加，故抗拉強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度提高1倍以上，耐熱性能也大幅提高。
十、藥物載體
隨著當(dāng)前城市生活垃圾的大幅增長(zhǎng)以及環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，加大消滅“四害”的力度、預(yù)防疾病的傳播已十分迫切。在樹干上涂刷石灰、向垃圾箱噴灑藥水已作用不大，現(xiàn)在大城市已采用噴涂中樞神經(jīng)類殺蟲劑來消滅蚊子、蒼蠅、蟑螂等昆蟲類害蟲，但這些殺蟲劑多從國外進(jìn)口，價(jià)格較高，噴涂后有效期較短（只有一個(gè)月）。采用氣相二氧化硅為載體吸附該類殺蟲劑，起到了很好的緩釋效果，據(jù)測(cè)定，其噴涂后有效期長(zhǎng)達(dá)一年以上。
十一、化妝品
對(duì)于化妝品來說，要求對(duì)紫外線屏蔽能力強(qiáng)，最好是既能防護(hù)紫外中波（UVB）對(duì)人體的危害，亦能對(duì)紫外長(zhǎng)波（UVA）起防護(hù)作用。實(shí)質(zhì)上，紫外屏蔽包括兩方面，一是前面所述對(duì)紫外線的吸收，另一方面是對(duì)紫外線的反射，目前，世界上從紫外反射性能角度開發(fā)的抗紫外劑還未見報(bào)道。 在防曬產(chǎn)品中以往多使用有機(jī)化合物為紫外線吸收劑，但是存在諸如為了盡可能保護(hù)皮膚不接觸紫外線而提高添加量之后，會(huì)增加發(fā)生皮膚癌以及產(chǎn)生化學(xué)性過敏等問題，而氣相二氧化硅為無機(jī)成分，易于與化妝品其它組分配伍，無毒、無味，不存在上述問題，且自身為白色，可以簡(jiǎn)單地加以著色，尤其可貴的是氣相二氧化硅反射紫外能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，被紫外線照射后不分解，不變色，也不會(huì)與配方中其它組分起化學(xué)反應(yīng)。氣相二氧化硅的這些突出特點(diǎn)為防曬化妝品的升級(jí)換代奠定了良好的基礎(chǔ)。
十二、抗菌材料
利用氣相二氧化硅龐大的比表面積、表面多介孔結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)的吸附能力以及奇異的理化特性，將銀離子等功能離子均勻地設(shè)計(jì)到氣相二氧化硅表面的介孔中，并實(shí)施穩(wěn)定，成功開發(fā)出高效、持久、耐高溫、廣譜抗菌的納米抗菌粉（粒徑只有70納米左右），不但填補(bǔ)國內(nèi)空白，而且主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過日本同類產(chǎn)品。經(jīng)檢測(cè)，當(dāng)納米抗菌粉在水中的濃度僅為0.315%時(shí)，對(duì)革蘭氏陽性代表菌種與革蘭氏陰性代表菌種的抗菌能力就可以非常明顯的表露出來，抑菌圈出現(xiàn)2—3mm，且隨著納米抗菌粉在水中濃度的增加，抑菌圈明顯增大。據(jù)測(cè)定，水中含Ag+為0.01mg/1時(shí)，就能完全殺滅水中的大腸桿菌，并能保持長(zhǎng)達(dá)90天內(nèi)不繁衍出新的菌叢。 將納米抗菌粉應(yīng)用于搪瓷釉料中，生產(chǎn)出具有防霉、抗菌功能的滾筒洗衣機(jī)，其抗菌率高達(dá)99%以上。應(yīng)該指出的是，納米抗菌粉在搪瓷釉料中使用條件較為苛刻，須在堿性較強(qiáng)的液體中和高溫（900℃左右）燒瓷后仍保持很強(qiáng)的抗菌性能，這是其它抗菌粉望塵莫及的。將納米抗菌粉添加在內(nèi)墻涂料中，生產(chǎn)出了具有長(zhǎng)久抗菌防霉功能的內(nèi)墻涂料。將納米抗菌粉用在婦女內(nèi)褲洗滌劑、羊毛、羊絨洗滌劑、洗潔精、洗手液中，經(jīng)衛(wèi)生防疫部門檢測(cè)，其抗菌性能十分顯著�？梢灶A(yù)見，隨著人們健康意識(shí)的增強(qiáng)，納米抗菌粉將逐漸被相關(guān)應(yīng)用企業(yè)的廣大民眾所接受，在票據(jù)、醫(yī)療衛(wèi)生、化學(xué)建材、家電制品、功能纖維、塑料制品等行業(yè)中嶄露頭角。
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