Бинарные соединения кремния - Binary compounds of silicon

Экспериментальная фазовая диаграмма железо-кремний

Бинарные соединения кремния - это бинарные химические соединения, содержащие кремний и еще один химический элемент . Технически термин силицид зарезервирован для любых соединений, содержащих кремний, связанный с более электроположительным элементом. Бинарные соединения кремния можно разделить на несколько классов. Солевидные силициды образуются с электроположительными металлами s-блока. Ковалентные силициды и соединения кремния встречаются с водородом и элементами с 10 по 17 группы.

Переходные металлы образуют металлические силициды, за исключением серебра , золота и элементов группы 12 . Общий состав - это M n Si или MSi n, где n находится в диапазоне от 1 до 6, а M обозначает металл. Примеры: M 5 Si, M 3 Si (Cu, V, Cr, Mo, Mn, Fe, Pt, U), M 2 Si (Zr, Hf, Ta, Ir, Ru, Rh, Co, Ni, Ce), M 3 Si 2 (Hf, Th, U), MSi (Ti, Zr, Hf, Fe, Ce, Th, Pu) и MSi 2 (Ti, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re).

Закон Коппа-Неймана применяется как:

Cp (M, Si,) = xCp (M) + yCp (Si)

Как правило, нестохиометрия подразумевает нестабильность. Эти интерметаллиды обычно устойчивы к гидролизу, хрупки и плавятся при более низкой температуре, чем соответствующие карбиды или бориды . Они электрические проводники. Однако некоторые из них, такие как CrSi 2 , Mg 2 Si, β-FeSi 2 и MnSi 1,7 , являются полупроводниками . Поскольку вырожденные полупроводники проявляют некоторые металлические свойства, такие как блеск и электрическая проводимость, которая уменьшается с температурой, некоторые силициды, классифицируемые как металлы, могут быть полупроводниками.

Группа 1

Силициды элементов группы 1 являются солеподобными силицидами, за исключением силана (SiH 4 ), связи которого с водородом ковалентны. Высшими гомологами силана являются дисилан и трисилан . Гидрид поликремния представляет собой двумерную полимерную сетку .

Известны многие кластерные соединения силицидов лития, такие как Li 13 Si 4 , Li 22 Si 5 , Li 7 Si 3 и Li 12 Si 7 . Li 4.4 Si получают из кремния и металлического лития в процессе высокоэнергетической шаровой мельницы . Возможное использование включает электроды в литиевых батареях. Li 12 Si 7 имеет фазу Zintl с плоскими кольцами Si 5 6− . Спектроскопия ЯМР Li предполагает, что эти кольца являются ароматическими .

Другие элементы группы 1 также образуют кластеры: силицид натрия может быть представлен NaSi, NaSi 2 и Na 11 Si 36, а силицид калия - K 8 Si 46 . Силициды группы 1 обычно являются высокоплавкими, металлически-серыми, с электропроводностью от умеренной до плохой и получаются путем нагревания элементов. Сообщалось о сверхпроводящих свойствах Ba 8 Si 46 . Известно несколько ионов кремния Zintl (Si 4 4 - Si 9 4 - , Si 5 2 - ) с противоионами группы 1.

2 группа

Силициды элементов группы 2 также являются солеподобными силицидами, за исключением бериллия , фазовая диаграмма которого с кремнием представляет собой простую эвтектику (1085 ° C при 60% масс. Кремния). Опять же, есть вариации в составе: силицид магния представлен Mg 2 Si, силицид кальция может быть представлен Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 , Ca 5 Si 3 и Ca 14 Si 19 , силицид стронция может быть представлен Sr 2. Si, SrSi 2 и Sr 5 Si 3 и силицид бария могут быть представлены Ba 2 Si, BaSi 2 , Ba 5 Si 3 и Ba 3 Si 4 . Mg 2 Si и его твердые растворы с Mg 2 Ge и Mg 2 Sn являются хорошими термоэлектрическими материалами, и их добротность сопоставима с добротностью известных материалов.

Переходные металлы

Эти переходные металлы образуют широкий спектр кремниевых интерметаллидов с по меньшей мере одной двоичной кристаллической фазой. Существуют некоторые исключения. Золото образует эвтектику при 363 ° C с 2,3% кремния по весу (18% атомных процентов) без взаимной растворимости в твердом состоянии. Серебро образует другую эвтектику при 835 ° C с 11% кремния по весу, опять же с незначительной взаимной растворимостью в твердом состоянии. В группе 12 все элементы образуют эвтектику, близкую к температуре плавления металла, без взаимной растворимости в твердом состоянии: цинк при 419 ° C и> 99 ат.% Цинка и кадмия при 320 ° C (<99% Cd).

Коммерчески значимые интерметаллиды представляют собой дисилицид молибдена группы 6 , промышленную керамику, в основном используемую в качестве нагревательного элемента. Дисилицид вольфрама также является коммерчески доступной керамикой, которая используется в микроэлектронике. Силицид платины - это полупроводниковый материал. Ферросилиций - это железный сплав, который также содержит кальций и алюминий.

MnSi, известный как браунлиит , можно найти в космосе. Некоторые силициды Mn образуют фазу Новотного . Нанопроволоки на основе кремния и марганца могут быть синтезированы из Mn (CO) 5 SiCl 3, образуя нанопроволоки на основе Mn 19 Si 33 . или выращенный на поверхности кремния MnSi 1,73 был исследован как термоэлектрический материал и как оптоэлектронная тонкая пленка. Монокристаллический MnSi 1,73 может образовываться из расплава олова-свинца.

На переднем крае технологических исследований дисилицид железа становится все более актуальным для оптоэлектроники , особенно в его кристаллической форме β-FeSi 2 . Они используются в виде тонких пленок или в виде наночастиц, полученных путем эпитаксиального роста на кремниевой подложке.

Атомный номер Имя Условное обозначение Группа Период Блокировать Фазы
21 год Скандий Sc 3 4 d Sc 5 Si 3 , ScSi, Sc 2 Si 3 , Sc 5 Si 4
22 Титана Ti 4 4 d Ti 5 Si 3 , TiSi, TiSi 2 , TiSi 3 , Ti 6 Si 4
23 Ванадий V 5 4 d V 3 Si, V 5 Si 3 , V 6 Si 5 , VSi 2 , V 6 Si 5
24 Хром Cr 6 4 d Cr 3 Si, Cr 5 Si 3 , CrSi, CrSi 2
25 Марганец Mn 7 4 d MnSi, Mn 9 Si 2 , Mn 3 Si, Mn 5 Si 3 , Mn 11 Si 9
26 год Железо Fe 8 4 d FeSi 2 , FeSi Fe
5Si
3, Fe 2 Si , Fe 3 Si
27 Кобальт Co 9 4 d CoSi, CoSi 2 , Co 2 Si, Co 2 Si, Co 3 Si
28 год Никель Ni 10 4 d Ni 3 Si, Ni 31 Si 12 , Ni 2 Si, Ni 3 Si 2 , NiSi ( моносилицид никеля ), NiSi 2
29 Медь Cu 11 4 d Cu 17 Si 3 , Cu 56 Si 11 , Cu 5 Si, Cu 33 Si 7 , Cu 4 Si, Cu 19 Si 6 , Cu 3 Si, Cu 87 Si 13
30 Цинк Zn 12 4 d эвтектика
39 Иттрий Y 3 4 d Y 5 Si 3 , Y 5 Si 4 , YSi, Y 3 Si 5 , YSi 1.4 .
40 Цирконий Zr 4 5 d Zr 5 Si 3 , Zr 5 Si 4 , ZrSi, ZrSi 2 , Zr 3 Si 2 , Zr 2 Si, Zr 3 Si
41 год Ниобий Nb 5 5 d Nb 5 Si 3 , Nb 4 Si
42 Молибден Пн 6 5 d Mo 3 Si, Mo 5 Si 3 , MoSi 2
43 год Технеций Tc 7 5 d Tc 4 Si 7 (предлагается)
44 год Рутений RU 8 5 d Ru 2 Si, Ru 4 Si 3 , RuSi, Ru 2 Si 3
45 Родий Rh 9 5 d RhSi, Rh 2 Si, Rh 5 Si 3 , Rh 3 Si 2 , Rh 20 Si 13
46 Палладий Pd 10 5 d Pd 5 Si, Pd 9 Si 2 , Pd 3 Si, Pd 2 Si, PdSi
47 Серебряный Ag 11 5 d эвтектика
48 Кадмий CD 12 5 d эвтектика
57 год Лантан Ла 3 6 d La 5 Si 3 , La 3 Si 2 , La 5 Si 4 , LaSi, LaSi 2
58 Церий Ce 3 6 ж Ce 5 Si 3 , Ce 3 Si 2 , Ce 5 Si 4 , CeSi, Ce 3 Si 5 , CeSi 2
59 Празеодим Pr 3 6 ж Pr 5 Si 3 , Pr 3 Si 2 , Pr 5 Si 4 , PrSi, PrSi 2
60 Неодим Nd 3 6 ж Nd 5 Si 3 , Nd 5 Si 4 , Nd 5 Si 3 , NdSi, Nd 3 Si 4 , Nd 2 Si 3 , NdSi x
61 Прометий Вечера 3 6 ж
62 Самарий См 3 6 ж Sm 5 Si 4 , Sm 5 Si 3 , SmSi, Sm 3 Si 5 , SmSi 2
63 Европий ЕС 3 6 ж
64 Гадолиний Б-г 3 6 ж Gd 5 Si 3 , Gd 5 Si 4 , GdSi, GdSi 2
65 Тербий Tb 3 6 ж Si 2 Tb ( силицид тербия ), SiTb, Si 4 Tb 5 , Si 3 Tb 5
66 Диспрозий Dy 3 6 ж Dy 5 Si 5 , DySi, DySi 2
67 Гольмий Хо 3 6 ж Ho 5 Si 3 , Ho 5 Si 4 , HoSi, Ho 4 Si 5 , HoSi 2
68 Эрбий Э 3 6 ж Er 5 Si 3 , Er 5 Si 4 , ErSi, ErSi 2
69 Тулий Тм 3 6 ж
70 Иттербий Yb 3 6 ж Si 1.8 Yb, Si 5 Yb 3 , Si 4 Yb 3 , SiYb, Si 4 Yb 5 , Si 3 Yb 5
71 Лютеций Лу 3 6 ж Лу 5 Си 3
72 Гафний Hf 4 6 d Hf 2 Si, Hf 3 Si 2 , HfSi, Hf 5 Si 4 , HfSi 2
73 Тантал Та 5 6 d Ta 9 Si 2 , Ta 3 Si, Ta 5 Si 3
74 Вольфрам W 6 6 d W 5 Si 3 , WSi 2
75 Рений Re 7 6 d Re 2 Si, ReSi, ReSi 1,8 Re 5 Si 3
76 Осмий Операционные системы 8 6 d OsSi, Os 2 Si 3 , OsSi 2
77 Иридий Ir 9 6 d IrSi, Ir 4 Si 5 , Ir 3 Si 4 , Ir 3 Si 5 , IrSi 3 . Ir 2 Si 3 , Ir 4 Si 7 , IrSi 2
78 Платина Pt 10 6 d Pt 25 Si 7 , Pt 17 Si 8 , Pt 6 Si 5 , Pt 5 Si 2 , Pt 3 Si, Pt 2 Si, PtSi
79 Золото Au 11 6 d Диаграмма эвтектики по ссылке
80 Меркурий Hg 12 6 d эвтектика
89 Актиний Ac 3 7 d
90 Торий Чт 3 7 ж Th 3 Si 2 , ThSi, Th 3 Si 5 и ThSi 2-x
91 Протактиний Па 3 7 ж
92 Уран U 3 7 ж U 3 Si, U 3 Si 2 , USi, U 3 Si 5 , USi 2-x , USi 2 и USi 3
93 Нептуний Np 3 7 ж NpSi 3 , Np 3 Si 2 и NpSi
94 Плутоний Пу 3 7 ж Pu 5 Si 3 , Pu 3 Si 2 , PuSi, Pu 3 Si 5 и PuSi 2
95 Америций Являюсь 3 7 ж AmSi, AmSi 2
96 Кюрий См 3 7 ж CmSi, Cm 2 Si 3 , CmSi 2
97 Берклиум Bk 3 7 ж
98 Калифорний Cf 3 7 ж
99 Эйнштейний Es 3 7 ж
100 Фермий FM 3 7 ж
101 Менделевий Мкр 3 7 ж
102 Нобелий Нет 3 7 ж
103 Лоуренсий Lr 3 7 ж

Группа 13

В группе 13 бор ( металлоид ) образует несколько бинарных кристаллических соединений борида кремния : SiB 3 , SiB 6 , SiB n . С алюминием , постпереходным металлом , образуется эвтектика (577 ° C @ 12,2 ат.% Al) с максимальной растворимостью кремния в твердом алюминии 1,5%. В коммерчески значимых алюминиевых сплавах, содержащих кремний, по крайней мере добавлен элемент. Галлий , также являющийся постпереходным металлом , образует эвтектику при 29 ° C с 99,99% Ga без взаимной растворимости в твердом состоянии; индий и таллий ведут себя аналогично.

Группа 14

Карбид кремния (SiC) широко используется в качестве керамики или примера в автомобильных тормозах и бронежилетах. Он также используется в полупроводниковой электронике. Он производится из диоксида кремния и углерода в печи Acheson при температуре от 1600 до 2500 ° C. Известно 250 кристаллических форм, среди которых наиболее распространен альфа-карбид кремния. Сам кремний является важным полупроводниковым материалом, используемым в микрочипах. Он коммерчески производится из диоксида кремния и углерода при температуре 1900 ° C и кристаллизуется в кубической кристаллической структуре алмаза. Силицид германия образует твердый раствор и снова является коммерчески используемым полупроводниковым материалом. Олова кремния фазовой диаграммы является эвтектическими и свинцом фаза кремния Диаграмма показывает монотектический переход и небольшой эвтектический переход , но не растворимость в твердом состоянии .

Группа 15

Нитрид кремния (Si 3 N 4 ) представляет собой керамику, которая используется во многих промышленных высокотемпературных областях, таких как детали двигателей. Его можно синтезировать из элементов при температуре от 1300 до 1400 ° C. Существуют три различных кристаллографических формы. Были предложены другие бинарные соединения кремния и азота (SiN, Si 2 N 3 , Si 3 N), а другие соединения SiN были исследованы при криогенных температурах (SiN 2 , Si (N 2 ) 2 , SiNNSi). Тетраазид кремния - нестабильное соединение, которое легко взрывается.

На фазовой диаграмме с фосфором показаны SiP и SiP 2 . Сообщается, что фосфид кремния представляет собой Si 12 P 5 (не имеет практического применения), образованный отжигом аморфного сплава Si-P.

Мышьяк фаза кремния - схема , измеренная при 40 бар имеет две фазы: ДЕ и ДЕ 2 . Система сурьма – кремний представляет собой единственную эвтектику, близкую к температуре плавления Sb. Система висмута - монотектическая.

Группа 16

В группе 16 диоксид кремния - очень распространенное соединение, которое широко встречается в виде песка или кварца. SiO 2 является тетраэдрическим, каждый атом кремния окружен 4 атомами кислорода. Существуют многочисленные кристаллические формы с тетраэдрами, соединенными в полимерную цепь. Примеры - тридимит и кристобалит . Менее распространенный оксид - это оксид кремния, который можно найти в космосе. Неподтвержденные сообщения существуют для неравновесных Si 2 O, Si 3 O 2 , Si 3 O 4 , Si 2 O 3 и Si 3 O 5 . Сульфид кремния также представляет собой цепное соединение. Сообщалось, что циклический SiS 2 существует в газовой фазе. Фазовая диаграмма кремния с селеном имеет две фазы: SiSe 2 и SiSe. Силицид теллура - это полупроводник с формулой TeSi 2 или Te 2 Si 3 .

Группа 17

Бинарные соединения кремния в группе 17 представляют собой стабильные соединения в диапазоне от газообразного фторида кремния (SiF 4 ) до жидкого хлорида кремния (SiCl 4 и бромид кремния SiBr 4 ) до твердого иодида кремния (SiI 4 ). Геометрия молекул в этих соединениях тетраэдрическая и режим связывания ковалентный. Другими известными стабильными фторидами в этой группе являются Si 2 F 6 , Si 3 F 8 (жидкость) и твердые полимерные вещества, известные как фториды поликремния (SiF 2 ) x и (SiF) x . Остальные галогениды образуют аналогичные бинарные соединения кремния.

Периодическая таблица бинарных соединений кремния

SiH 4 Он
LiSi Быть SiB 3 SiC Si 3 N 4 SiO 2 SiF 4 Ne
NaSi Mg 2 Si Al Si Глоток SiS 2 SiCl 4 Ar
KSi CaSi 2 ScSi TiSi V 5 Si 3 Cr 5 Si 3 MnSi FeSi CoSi NiSi Cu 5 Si Zn Ga Si 1 − x Ge x SiAs SiSe 2 SiBr 4 Kr
RbSi Sr 2 Si YSi ZrSi Nb 5 Si 3 Пн 5 Си 3 Tc РуСи RhSi PdSi Ag CD В Sn Sb TeSi 2 SiI 4 Xe
CsSi Ba 2 Si HfSi Та 5 Si 3 W 5 Si 3 ReSi 2 OsSi IrSi PtSi Au Hg Tl Pb Би По В Rn
Пт Ра Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Ур. Ц Og
↓
ЛаСи CeSi ПрСи NdSi Вечера SmSi EuSi GdSi TbSi DySi HoSi ErSi Тм YbSi ЛуСи
Ac ThSi Па USi NpSi PuSi AmSi CmSi Bk Cf Es FM Мкр Нет Lr
Бинарные соединения кремния
Соединения ковалентного кремния силициды металлов.
Ионные силициды Не существует
Эвтектика / монотектика / твердый раствор Неизвестно / Не оценивается

>

использованная литература