二氧化硅的基本性质以及合成方法
二氧化硅(化学式：SiO2)是种酸性氧化物，对应水化物为硅酸(H2SiO3)。二氧化硅是硅重要的化合物之。地上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%，其存在形态有结晶型和无定型两大类，统称硅石。
[1]二氧化硅又称硅石，化学式SiO₂。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。
结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不一样的颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中，硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键，硅原子位于正四面体的中心，4个氧原子位于正四面体的4个角上，许多个这样的四面体又通过角的氧原子相连，每个氧原子为两个四面体共有，即每个氧原子与两个硅原子相结合。SiO₂是表示组成的简式，仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。二氧化硅是原子晶体。
各种二氧化硅产品的折射率为：石英砂为1.547;粉石英为1.544;脉石英为1.542;硅藻土为1.42~1.48;气相白炭黑为1.46;沉淀白炭黑为1.46。
自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松软的固体，吸附性强。
化学性质稳定。不溶于水也不跟水反应。是酸性氧化物，不跟般酸反应。气态氟化氢跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的浓强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。跟多种金属氧化物在温下反应生成硅酸盐。用于制石英玻璃、光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维，陶瓷等。二氧化硅的性质不活泼，它不与除氟、氟化氢以外的卤素、卤化氢以及硫酸、硝酸、氯酸作用(热浓磷酸除外)。常见的浓磷酸(或者说焦磷酸)在温下即可腐蚀二氧化硅，生成杂多酸[2]，温下熔融硼酸盐或者硼酐亦可腐蚀二氧化硅，鉴于此性质，硼酸盐能够适用于陶瓷烧制中的助熔剂，除此之外氟化氢也可以可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶于水的氟硅酸： SiO₂ + 4HF = SiF4 + 2H₂O
[5]1.离子交换法∶将稀释的水玻璃过滤除杂质后经阳离子交换，阴离子交换，调节pH值，经蒸发或滤浓缩，制得硅溶胶。
2. 硅粉法∶蒸馏水及氢氧化钠(试剂)加到反应槽中，升温至65℃，加入定量的氨水调整碱度，在搅拌下分批加入硅粉，控制温度在8.3℃以下，硅粉加后继续搅拌2～3h，待pH值降至9～10时，取样分析，反应成后在搅拌下冷却至50℃，经自然过滤，制得硅溶胶产品。未反应的硅粉可回收再用。
3.硫酸法∶将稀释的水玻璃与稀硫酸混合于20～30℃行反应制得硅凝胶，老化4h，用2%～2.5%的稀硫酸浸泡1h，用40～50℃的水洗涤，在转筒烘干器中脱水至含水量80%，经烘干至水分含量10%，置于500～550℃活化炉中活化，经筛选制得粗孔微硅胶。
在微电子艺中, SiO 2 薄膜因其优越的电缘性和艺的可行性而被广泛采用。在半导体器件中, 利用SiO 2 禁带宽度可变的性, 可作为非晶硅太阳电池的薄膜光吸收层, 以提光吸收效率; 还可作为金属2氮化物2氧化物2半导体(MN SO ) 存储器件中的电荷存储层, 集成电路中CMOS 器件和SiGeMOS 器件以及薄膜晶体管(TFT ) 中的栅介质层等。此外, 随着大规模集成电路器件集成度的提, 多层布线术变得愈加重要, 如逻辑器件的中间介质层将增加到4～ 5 层, 这就要求减小介质层带来的寄生电容。鉴于此, 现在很多研究者都对低介电常数介质膜的种类、制备方法和性能行了深入研究。对新型低介电常数介质材料的要求是: 在电性能方面具有低损耗和低耗电; 在机械性能方面具有附着力和硬度; 在化学性能方面要求耐腐蚀和低吸水性; 在热性能方面有稳定性和低收缩性。目前普遍采用的制备介质层的SiO 2, 其介电常数约为4. 0, 并拥有非常良好的机械性能。如用于硅大率双晶体管管芯平面和台面钝化, 提或保持了管芯的击穿电压, 并提了晶体管的稳定性。这种术, 达到了保护钝化器件的目的, 使得器件的稳定性很高、可靠, 减少了外界对芯片沾污、干扰, 提了器件的可靠性能。
20 纪80 年代末期, Si 基SiO₂光波导无源和有源器件的研究取得了长足的发展, 使这类器件不仅仅具备优良的传导性, 还将具备光放大、发光和电光调制等基本能, 在光学集成和光电集成器件方面很有应用前景, 可作为波导膜、减反膜和增透膜。随着光通信及集成光学研究的快速的提升, 玻璃薄膜光波导被大范围的应用于光无源器件及集成光路中。制备性能好的用作光波导的薄膜显得至关重要。集成光路中光波导的般要求: 单模传输、低传输损耗、同光纤耦合效率等。波导损耗来源大致上可以分为材料吸收、基片损耗、散射损耗三分。通过选用表面粗糙度、平整的光学用玻璃片或预溅射足够厚的SiO₂薄膜的普通玻璃基片, 使波导模瞬间场分布远离粗糙表面,以减少基底损耗。激光器用减反膜的研究也取得了很大的展。中程物理研究院与化学所用溶胶凝胶法成地研制出紫外激光SiO2 减反膜。根据结果得出, 浸入涂膜法制备的多孔SiO2 薄膜比早期的真空蒸发和旋转涂膜法制备的SiO₂薄膜有更好的减反射效果。在波长350nm 处的透过率达到98%以上, 紫外区的透过率达到99%以上。该SiO₂薄膜有望用于惯性约束聚变( ICF) 和X 光激光研究的透光元件的减反射膜。目前在溶胶凝胶艺制备保护膜、增透膜方面也取得了些展。此法制备的SiO₂光学薄膜在惯性约束聚变的激光装置中已成为种重要的手段,广泛地应用于增透光学元件上, 如空间滤波器、窗口、靶室窗口或打靶透镜。在谐波转换元件KDP晶体上用溶胶艺镀制保护、增透膜,能改善KDP 晶体的作条件,提谐波光束的质量与可聚焦率。
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