《化学元素知识》元素中的化学史丨（14）硅元素：硅的化学史
1787年，拉瓦锡认识到石英中含有一种元素，他将它列在第一份元素名单里，名字叫silice，意思是石英。1808年，戴维认为石英里的元素是一种金属元素，所以他将这种新元素命名为silicium。戴维并没有得到一丁点纯硅，在他之后，1811年盖吕萨克先制得了四氟化硅，然后他尝试用钾去还原它，得到了一些无定形硅，但实在是不纯净，无法进一步作分析研究。1817年，英国化学家托马斯*汤姆森提出硅应该是一种非金属，所以他建议用silicon这个名字，类似碳的carbon和硼的boron，这个名字一直沿用至今。
1823年，瑞典科学家贝采尼乌斯终于见到了单质硅。他用钾还原氟硅酸钾，得到了一团棕色粉末，他将粉末反复冲洗，最终得到了较纯净的无定形硅。地球上第二多的元素竟然到了这个时候才被完全分离出来。无定形硅类似无定形碳。虽然化学家们知道水晶的结构类似钻石，但是水晶毕竟是二氧化硅，不是纯硅的晶体，他们还是迫切的想看看较纯净的硅晶体是什么样的。一直到了发现硅元素31年之后，1854年，法国人德维尔将无定形硅跟氯化钠、氯化铝混合，然后电解，第一次得到了较纯的晶体硅。
硅被发现以后，没有太引起大家的重视，它的熔点很高，高达1410度，莫氏硬度为6.5，都比石英要稍微差一点。它的化学性质比较稳定，不太容易和其他物质发生反应。常温下，它只能和碱、氢氟酸反应。
但是到了高温，它就活泼起来，它和氧的化学亲和力尤其强大，很喜欢从金属氧化物里把氧夺过来。用石英、焦炭和钢混合，加热到1500℃以上，得到了硅铁合金。硅铁合金是冶炼行业重要的合金品种，常用于炼钢时作脱氧剂。这就是用到了硅和氧亲和力超强的原理，同样，硅铁合金也可以用来还原氧化镁等金属。比如现在冶炼金属镁，基本上不用电解法了，主要采用硅热还原法，也叫皮江法，是加拿大科学家皮江在上世纪40年代发明的，就是在真空条件下用硅金属在1200℃度高温下去还原氧化镁。
硅铝合金也是一种重要的合金，它主要用于航天航空、空间技术和便携式电子器件的合金材料。硅铝合金材料能够保持硅和铝各自的优异性能，并且硅、铝的含量相当丰富，硅粉的制备技术成熟，成本低廉，同时这种材料对环境没有污染，对人体无害。
很多物质纯度高到一定程度以后，其化学性质会变的完全不一样。硅也是如此。将石英和木炭混合，加热到1900度以上，通电让它们电解，可以得到98%以上的硅，被称为冶金级硅。把冶金级硅继续纯化，生产更加纯净的硅。让氯化氢和粗硅粉反应生成氯硅烷，然后让氯硅烷在氢气气氛的还原炉中还原沉积，就得到了比较纯净的硅晶体，纯度可以达到四个九，也就是99.99%。
纯度四个九的硅晶体虽然很纯净，但是其内部存在很多种结晶方向，不是一整块大晶体，称为多晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。继续将多晶硅熔融，将一块比较规则的种子晶体慢慢浸入硅熔体中，逐渐冷却，让硅晶体在种子晶体上慢慢生长，最终可以得到一块完美的硅晶体，这就是单晶硅。在单晶硅里，硅原子以金刚石的晶格排列方式排成正四面体网状结构。单晶硅的纯度可以达到六个九以上，也就是99.9999%以上。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。目前，人们已经能制造出纯度为十二个9 的单晶硅。
多晶硅和单晶硅大部分挺相似的，但是有些微小的差异。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。从技术角度来说，单晶硅更纯，很多方面的性能更好；从商业角度来说，多晶硅成本更低，使用起来更加经济。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。
1949年，美国科学家皮尔森(Pearson)和巴丁(bardeen)给出了硅半导体特性的证据。1958年，英特尔公司创始人之一罗伯特·诺伊斯和伙伴一起共同发明了集成电路。最初，用于制造晶体管的材料都是锗，不过诺伊斯发现，锗不耐高温且易漏电，在这些方面，硅有着出色的性能，而且它的抗辐射性能也更好。再加上硅又是地壳中含量排名第二的元素，极易获取。于是，罗伯特·诺伊斯选择硅作为了集成电路的基底材料，解决了锗集成电路的很多缺点。接下来，几乎是一夜之间，硅元素就取代了锗，成为了半导体行业的主人。由硅晶体管和其他元件组成的集成电路，集成度越来越高，规模越来越大，而元件则愈做愈小。一个直径为75毫米的硅片，可集成几万至几十万甚至几百万个元件，形成了微电子学，从而出现了微型计算机、微处理机等。
20世纪60年代，人们发现只要在硅晶体中掺入极微量的第三主族元素，比如硼，或者第五主族元素，比如磷或砷，硅就会表现出很活跃的半导体性能。基于基尔比和诺伊斯的发明，1971年，英特尔公司的费金工程师制造出了世界上第一只商品化的CPU微处理器：Intel 4004，它被称为“超大规模集成电路”，基于硅元素的计算机时代到来了！早在1965年，摩尔就预言道：“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”这被称为“摩尔定律”。现在我们看到，由于神奇摩尔定律的指引，科学家不仅提高了计算机的运算速度，更让计算机的小型化成为现实，如今随便一部手机的功能都已经远超了10年前的电脑。
1966年，美籍华裔物理学家高锟提出了光导纤维的大胆设想：利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号。他当时的出发点是想改善传统的通讯系统，使它传输的信息量更多、速度更快。但此前的研究和文献中，都已证明玻璃种光衰减率过大，甚至不如空气。但经过长达几年的实验论证，高锟从理论上验证了透明材料的可行性，指出透明材质中的杂质才是造成衰减率过大的主要原因。后来，美国康宁公司根据高锟发表的论文开始进行研发。1970年，康宁公司终于制造出了符合理论的低损耗试验性光纤，翻开了光通讯时代的第一个章节。今天，中国光纤入户比例占到宽带用户的一半以上。
我们生活的时代，就是基于硅元素的信息时代。我们在享受信息时代的便利的同时，不妨感谢一下那些研究硅的先行者们。