シリコンの二元化合物

シリコンの二元化合物は、シリコンと他の1つの化学元素を含む二元 化合物です。^{[1]技術的には、}シリサイドという用語は、より電気陽性の元素に結合したシリコンを含む化合物を指します。二元シリコン化合物はいくつかのクラスに分類できます。 塩のようなシリサイドは、電気陽性のsブロック金属で形成されます。共有結合シリサイドとシリコン化合物は、水素と第10族から第17族の元素で発生します。

遷移金属は、銀、金、第 12 族元素を除き、金属シリサイドを形成します。一般的な組成は M _n Si または MSi _nで、n は 1 から 6 まで、M は金属を表します。例としては、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)、MSi ₂ (Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re) などがあります。

コップ・ノイマンの法則が適用されます。熱容量はシリコンの割合に比例します。$${\displaystyle C_{p}({\ce {M_xSi_y}})=xC_{p}({\ce {M}})+yC_{p}({\ce {Si}})}$$

一般的に、非化学量論性は不安定性を意味する。これらの金属間化合物は一般に加水分解に耐性があり、脆く、対応する炭化物やホウ化物よりも低い温度で溶解する。これらは電気伝導体である。しかし、CrSi ₂、Mg ₂ Si、β-FeSi ₂、MnSi _1.7などの一部は半導体である。縮退半導体は光沢や温度とともに低下する電気伝導性など、いくつかの金属特性を示すため、金属として分類される一部のケイ化物は半導体である可能性がある。

1 族元素のケイ化物は塩の​​ようなケイ化物ですが、シラン(SiH ₄ ) は水素との結合が共有結合です。高級シラン同族体はジシランとトリシランです。ポリシリコン水素化物は 2 次元ポリマー ネットワークです。

_{Li 13} Si ₄、Li ₂₂ Si ₅、Li ₇ Si ₃、Li ₁₂ Si ₇など、多くのリチウムシリサイドのクラスター化合物が知られています。^[2] Li _{4.4 Si は、高エネルギー}ボールミルプロセスでシリコンとリチウム金属から製造されます。 ^[3]潜在的な用途には、リチウム電池の電極が含まれます。 Li ₁₂ Si _{7 は、}平面の Si ₅ ⁶⁻リングを持つZintl 相です。 Li NMR 分光法は、これらのリングが芳香族であることを示唆しています。^[4]

他のグループ1元素もクラスターを形成します。ナトリウムシリサイドはNaSi、NaSi ₂、Na ₁₁ Si ₃₆ ^[5]で表され、カリウムシリサイドはK ₈ Si _{46で表されます。グループ1のシリサイドは一般に高融点の金属灰色で、中程度から低い電気伝導性を持ち、元素を加熱することで生成されます。Ba 8} Si ₄₆では超伝導特性が報告されています。^[6]いくつかのシリコンジントルイオン（Si⁴⁻⁴
₄、シ⁴⁻⁹
_​、シ²⁻⁵
_5人）はグループ１の対イオンとして知られている。^[7]

第 2 族元素のケイ化物も塩のようなケイ化物であるが、ベリリウムは例外で、シリコンとの状態図は単純共晶（1085 °C @ 60 重量% シリコン）である。^[8]ここでも組成にはばらつきがあり、マグネシウムケイ化物はMg ₂ Siで表され、^[9] カルシウムケイ化物は Ca ₂ Si、CaSi、CaSi ₂、Ca ₅ Si ₃、Ca ₁₄ Si ₁₉で表され、^[10]ストロンチウムケイ化物は Sr ₂ Si、SrSi ₂、Sr ₅ Si _{3で表され、} ^{[11]バリウムケイ化物は Ba} ₂ Si、BaSi ₂、Ba ₅ Si ₃、Ba ₃ Si ₄で表される。^[12] Mg ₂ Si およびMg ₂ Ge や Mg ₂ Snとの固溶体は優れた熱電材料であり、その性能指数は既存の材料と同等である。

遷移金属は、少なくとも1 つの二元結晶相を持つ広範囲のシリコン金属間化合物を形成します。例外もいくつかあります。金は、重量比 2.3% のシリコン (原子パーセント 18%) と 363 °C で共晶を形成しますが、固体状態では相互溶解しません。^[13]銀は、重量比 11% のシリコンと 835 °C で共晶を形成しますが、やはり相互固体溶解度はごくわずかです。12 族では、すべての元素が金属の融点近くで相互固体溶解度のない共晶を形成します。亜鉛は 419 °C、亜鉛の原子パーセントが 99 を超える場合とカドミウムは 320 °C (Cd が 99% 未満) で共晶を形成します。

商業的に重要な金属間化合物は、第 6 族の モリブデン二ケイ化物で、これは主に加熱素子として使用される市販のセラミックです。タングステン二ケイ化物も市販のセラミックで、マイクロエレクトロニクスに使用されています。プラチナケイ化物は半導体材料です。フェロシリコンは、カルシウムとアルミニウムも含む鉄合金です。

ブラウンリー石として知られるMnSiは、宇宙空間で発見されています。いくつかのMnシリサイドはノボトニー相を形成します。シリコンとマンガンをベースにしたナノワイヤは、Mn(CO) ₅ SiCl _{3から合成することができ、Mn 19} Si ₃₃をベースにしたナノワイヤを形成します。^[14]またはシリコン表面上に成長します^{[15] [16] [17]} MnSi _1.73は、熱電材料として^[18]および光電子薄膜として研究されました。 ^[19]単結晶MnSi _1.73は、スズ鉛溶融物から形成されます^[20]

技術研究の最前線では、鉄二珪化物は、特にその結晶形態β-FeSi _{2において、光}エレクトロニクスにおいてますます重要な位置を占めるようになっています。^{[21] [22]}これらは、シリコン基板上でのエピタキシャル成長によって得られる薄膜またはナノ粒子として使用されます。^{[23] [24]}

13族では、ホウ素（半金属）がいくつかの二元結晶性シリコンホウ化物化合物、SiB ₃、SiB ₆、SiB _{n を}形成する。^[78]遷移後金属であるアルミニウムとは共晶が形成され（577 °C @ 12.2 原子％ Al）、固体アルミニウム中のシリコンの最大溶解度は1.5％である。シリコンを含む商業的に重要なアルミニウム合金には、少なくとも元素が追加されている。^[79]同じく 遷移後金属であるガリウムは、29 °Cで99.99％のガリウムと共晶を形成しますが、相互に固体状態で溶解することはありません。^[80]インジウム^[81]とタリウム^[82]も同様に挙動します。

炭化ケイ素（SiC）は、セラミックとして、または自動車のブレーキや防弾チョッキなどの用途で広く使用されています。また、半導体エレクトロニクスにも使用されています。これは、アチソン炉で1600～2500℃で二酸化ケイ素と炭素から製造されます。250種類の結晶形態が知られており、アルファ炭化ケイ素が最も一般的です。シリコン自体は、マイクロチップに使用される重要な半導体材料です。商業的には、シリカと炭素から1900℃で製造され、ダイヤモンド立方晶構造に結晶化します。ゲルマニウムシリサイドは固溶体を形成し、これも商業的に使用されている半導体材料です。^[83]スズ-シリコン相図は共晶であり^[84]、鉛-シリコン相図は、偏晶遷移と小さな共晶遷移を示していますが、固溶性はありません。^[85]

窒化ケイ素（Si ₃ N ₄）は、エンジン部品など多くの商用高温用途を持つセラミックです。1300〜1400℃の温度で元素から合成できます。3つの異なる結晶学的形態が存在します。他の2元ケイ素窒素化合物が提案されており（SiN、Si ₂ N ₃、Si ₃ N）^[86]、他のSiN化合物が極低温で研究されています（SiN ₂、Si（N ₂）₂、SiNNSi）。^[87] シリコンテトラアジドは爆発しやすい不安定な化合物です。

リンを含む状態図はSiPとSiP _2を示している。^[88]報告されているリン化ケイ素はSi ₁₂ P ₅（実用化されていない）であり、^{[89] [90]}非晶質Si-P合金を アニールすることによって形成される。

40 Barで測定したヒ素-シリコン相図には、SiAsとSiAs _2の2つの相があります。^[91]アンチモン-シリコン系は、 Sbの融点に近い単一の共晶で構成されています。^[92]ビスマス系は単晶です。^[93]

16族の二酸化ケイ素は、砂や石英として広く見られる非常に一般的な化合物です。SiO ₂は四面体で、各ケイ素原子は4つの酸素原子に囲まれています。四面体が結合してポリマー鎖を形成する結晶形態が多数存在します。例としては、トリジマイトやクリストバライトがあります。あまり一般的ではない酸化物は、宇宙で見つかる一酸化ケイ素です。非平衡Si ₂ O、Si ₃ O ₂、Si ₃ O ₄、Si ₂ O ₃、Si ₃ O ₅に関する未確認の報告があります。^[94] 硫化ケイ素も鎖状化合物です。環状SiS _2は気相で存在すると報告されています。^[95]ケイ素とセレンの状態図には、SiSe ₂とSiSeの2つの相があります。^{[96]テルルシリサイドは、化学式TeSi} ₂またはTe ₂ Si ₃の半導体です。^[97]

17族の二元シリコン化合物は、気体の フッ化シリコン（SiF ₄）から液体の塩化シリコン（SiCl ₄、臭化シリコンSiBr ₄）、固体のヨウ化シリコン（SiI ₄）までの範囲の安定した化合物です。これらの化合物の分子構造は四面体で、結合モードは共有結合です。このグループの他の既知の安定フッ化物には、Si ₂ F ₆、Si ₃ F _{8 （液体）と、}ポリフッ化シリコン（SiF ₂）_xおよび（SiF）_xとして知られるポリマー固体があります。他のハロゲン化物も同様の二元シリコン化合物を形成します。^[98]