淺析在多種領(lǐng)域“叱咤風云”的二氧化硅

發(fā)布時間 | 2019-10-18 17:44 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點擊量 | 4130

石英涂料氧化硅納米材料

導(dǎo)讀：硅在自然界中分布廣泛，在地殼中的含量僅次于氧。而二氧化硅則是硅氧化物中一個極其優(yōu)秀的存在。本文將與大家探索不同形態(tài)的二氧化硅是如何在各個領(lǐng)域“叱咤風云”的。

硅在自然界中分布廣泛，在地殼中的含量僅次于氧。而二氧化硅則是硅氧化物中一個極其優(yōu)秀的存在。本文將與大家探索不同形態(tài)的二氧化硅是如何在各個領(lǐng)域“叱咤風云”的。

圖為二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)

廣泛一點來說，二氧化硅在自然界中因為結(jié)構(gòu)不同而存在不同的礦物，當二氧化硅結(jié)晶完美時就是水晶；二氧化硅膠化脫水后就是瑪瑙；二氧化硅含水的膠體凝固后就成為蛋白石；二氧化硅晶粒小于幾微米時，就組成玉髓、燧石、次生石英巖。

石英是一種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均十分穩(wěn)固的二氧化硅礦產(chǎn)資源，一般較純凈的石英可用來制造石英玻璃，用于制造耐高溫的化學(xué)儀器、光導(dǎo)纖維等。無色透明的石英結(jié)晶體礦水晶，常用來制造電子工業(yè)的重要部件、光學(xué)儀器，也用來制成高級工業(yè)品和眼鏡片等，質(zhì)量再差一些的可以用于制備酒杯，果盤等。低純度的二氧化硅便可以做玻璃，質(zhì)量再差的可以燒制硅酸鈉，俗稱水玻璃，可以用于填充劑，粘合劑等。

二氧化硅的各種用途

再細致一些，當SiO?制成不同狀態(tài)不同材料時，又是怎么發(fā)揮自己的獨特優(yōu)勢呢？

SiO?薄膜

雖然高純的單晶Si是重要的半導(dǎo)體材料，但SiO?卻是優(yōu)秀的絕緣材料，并且具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，這使它被廣泛應(yīng)用于集成電路制造業(yè)中。在集成電路制造中主要起到以下幾個作用：

掩蔽雜質(zhì)——在集成電路制造中，如硼、磷、砷等常用雜質(zhì)在SiO?膜中的擴散要比在Si中慢得多，因此，在制作半導(dǎo)體器件的各個區(qū)時，最常用的方法是首先在硅圓片表面生長一層SiO?膜，經(jīng)過光刻、顯影后，再刻蝕掉需摻雜區(qū)域表面的氧化膜，從而形成摻雜窗口，最終通過窗口選擇性地將雜質(zhì)注入相應(yīng)的區(qū)域中。

柵氧化層——在MOS/CHOS集成電路的制造工藝中，通常用SiO?作為MOS晶體管的絕緣柵介質(zhì)，即柵氧層。

介質(zhì)隔離——集成電路制作中的隔離方法有PN結(jié)隔離和介質(zhì)隔離，其中介質(zhì)隔離通常選擇的就是SiO?氧化膜。

絕緣介質(zhì)——SiO?作為一種理想的絕緣體，在多層金屬布線結(jié)構(gòu)中，它可用作上下兩層金屬之間的絕緣介質(zhì)，防止金屬之間發(fā)生短路。

二氧化硅作為柵氧和場氧

SiO?氣凝膠

SiO?氣凝膠是目前世界上密度最低和導(dǎo)熱率最小的固體材料，且具有較高的比表面積、大空容、低聲阻抗等特點。目前建筑材料的隔熱性能普遍較差，SiO?氣凝膠憑借其自優(yōu)異的性能成為一種環(huán)保型的高效保溫隔聲輕質(zhì)建材，如氣凝膠氈、氣凝膠節(jié)能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材等。且SiO?氣凝膠還能制成透明或半透明材料，可有效透過太陽光，是一種很好的絕熱透明材料，可做成太陽能電器蓋、太陽能儲存器等。

圖中黑色材料為氣凝膠材料，用火焰噴槍燒烤，當氣凝膠的表面變紅，而下方的人員無恙

SiO?氣凝膠還具有高孔隙率、高比表面積、低密度、高熱穩(wěn)定性，且孔洞與外界相通的特點，是性能良好的吸附劑。例如用它作室溫氣體捕獲劑，吸附燃氣中的氣體，處理廢水、廢氣、放射性廢物、吸附核燃料等，這方面的研究對人類的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。SiO?氣凝膠還可用于作藥物載體，可有效提高藥物的溶解和吸收性，還能通過改變氣凝膠的疏水性來控制藥物釋放速度，達到更好的醫(yī)療效果。SiO?氣凝膠改性后還可以用作化學(xué)催化劑載體、無害高效殺蟲劑等。

圖為親水SiO?氣凝膠微球

納米SiO?材料

納米SiO?俗稱“超微細白炭黑”，是納米材料中重要的一員，它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，幾乎涉及到所有應(yīng)用二氧化硅粉體的行業(yè)。

納米SiO?作為涂料的重要助劑之一，它的開發(fā)與應(yīng)用為涂料的發(fā)展注入了新的活力，可利用其各種特殊效應(yīng)來提高涂料各方面的性能。例如，納米SiO?具有極強的紫外吸收、紅外反射特性，添加至涂料中能達到抗紫外老化和熱化、增加韌性彈性、耐老性等特性，顯著改善涂料的自清潔、防水防滲、防磨損、防腐蝕、保色性等性能；添加到鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中可以提高防火涂料膨脹后炭質(zhì)層的強度，延長鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限等。此外，納米SiO?在塑料涂料、噴墨紙涂料、水性木器涂料等中也有及其重要的應(yīng)用。

圖（1）納米SiO?在建筑涂料中的應(yīng)用（2）以SiO?為填料的保溫隔熱涂料

（3）納米SiO?在彩色噴墨打印紙涂料中的應(yīng)用

通過添加納米SiO?對有機顏（染）料進行表面改性處理，可使其性能大幅提高，提高亮度、色調(diào)和飽和度等指標，極大地拓寬了檔次和應(yīng)用范圍。

將分散好的納米SiO?顆粒均勻地添加到樹脂材料和普通橡膠中, 可全面改善樹脂基材料和橡膠填料性能，如強度、韌性、延展性以及抗老化性、保色性等。

納米SiO?還是電子封裝材料及密封膠重要添加原料，納米SiO?形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以抑制膠體流動,、提高固化速率、提高粘結(jié)效果 ,增加膠的密封性。

在玻璃鋼制品中添加納米SiO?顆粒，可使材料韌性增加，抗拉強度和抗沖擊強度提高，耐熱性能也大幅提高。而在陶瓷中添加納米SiO? ,可使其結(jié)構(gòu)更加致密 ,并提高強度性能和改善冷熱疲勞性能。SiO?填充聚氯乙烯農(nóng)用薄膜, 利用它透光、粒度小的特點 ,可以使塑料變得更致密, 特別是半透明塑料膜,添加SiO?可大大提高透明度、強度、韌性、防水性能。

納米SiO?為無機成分，易于與化妝品其它組分配伍，無毒、無味，自身為白色，反射紫外能力強、穩(wěn)定性好，被紫外線照射后不分解，不變色，也不會與配方中其它組分起化學(xué)反應(yīng)。如，添加至指甲油及唇膏中可令色素分布均勻、提高耐溫性；加入的防曬產(chǎn)品中可使體系更均勻、更穩(wěn)定、改善涂抹時的膚感和手感，全面提高產(chǎn)品性能。

口紅中加入SiO?令色素分布均勻

介孔SiO?納米材料

介孔SiO?納米材料兼具了介孔材料和納米材料的雙重特性，且合成方便、價格低廉，在傳統(tǒng)介孔材料領(lǐng)域之外還在多種領(lǐng)域顯示出了極大的應(yīng)用前景。由于介孔SiO?納米材料具有獨特的孔道結(jié)構(gòu)、較大的孔道半徑使之能夠包埋生物大分子，還有良好的熱穩(wěn)定性、光學(xué)透明性和化學(xué)惰。作為催化劑載體，它能增強催化劑的穩(wěn)定性、反應(yīng)活性和選擇性；作為良好的藥物載體,能夠?qū)崿F(xiàn)對藥物的靶向輸送和控制釋放；且在生物固化、生物傳感系統(tǒng)、基因載體等方面皆具有很大的應(yīng)用價值。雖然國內(nèi)外的許多研究組使用了不同的方法進行嘗試, 但是制備粒徑均一的、單分散的、尺寸可控的介孔二氧化硅納米粒子仍然是一大難點。