Химические свойства кремния и германия

Элементарные кремний и германий — весьма инертные материалы и при обычных условиях нс взаимодействуют ни с кислородом, ни с водой и нс вытесняют водород из кислот.

Взаимодействие с кислородом. Непосредственно с кислородом кремний и германий взаимодействуют только при очень высоких температурах, давая диоксиды:

Диоксиды 310., и СеО., — это кислотные оксиды. Соответствующие кислоты являются весьма слабыми и неустойчивыми. Их соли — силикаты и германаты. Кроме того, оба элемента способны образовывать монооксиды БЮ и веО.

Диоксид кремния — очень хороший изолятор, что используется при создании полупроводниковых приборов, в частности полупроводниковых транзисторов.

Диоксид ЯЮ, (кремнезем) — бесцветное кристаллическое, аморфное или стеклообразное вещество. Обладает развитым полиморфизмом. Стабильная при нормальных условиях полиморфная модификация — а-кварц (низкотемпературный).

Некоторые другие полиморфные модификации: р-кварц (высокотемпературный), кристобалит, тридимит, обсидиан (аморфный кварц) — природное кварцевое стекло. В природе наиболее часто встречается в виде кремня и кварца.

Диоксид кремния (5Ю₂) последние 40 лет использовался в качестве основного материала для диэлектрика затвора в производстве транзисторов, что было обусловлено его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров. На сегодняшний день в транзисторах, производимых корпорацией Intel, толщина слоя диэлектрика затвора из диоксида кремния составляет всего 1,2 нм — т.с. сопоставима с пятью атомарными слоями! Фактически, это уже близко к физическому пределу для данного материала. Поэтому для создания затворов транзисторов с малыми токами утечек инженерам Intel пришлось использовать новый материал для диэлектрика — так называемый high-k-диэлектрик.

Предельно «истончившийся» слой диоксида кремния был заменен на более толстый слой материала на базе солей гафния с высоким показателем диэлектрической проницаемости k (high-k), в результате чего ток утечки удалось сократить более чем в десять раз по сравнению с традиционным диоксидом кремния, сохранив при этом возможность корректно и стабильно управлять работой транзистора.

Взаимодействие с кислотами и щелочами. Кремний существует в двух аллотропных модификациях — кристаллической и аморфной. Аморфный кремний более реакционноспособен. Он взаимодействует со щелочами:

Из кислот на кремний действует только смесь азотной и плавиковой кислот (смесь окислителя и источника компактных лигандов). При этом получается комплексная гексафторкремниевая кислота:

Эти реакции показывают особенности «химического пограничья» металлов и неметаллов — для кремния гораздо более характерно проявление неметаллических свойств. Однако последняя реакция свидетельствует о том, что находятся условия, в которых он ведет себя подобно типичному ?/-металлу. В данном случае точно так же, но отношению к кислотам ведет себя такой типичный металл, как вольфрам.

Германий находится «глубже» в зоне металличности р-элементов. Поэтому со щелочами он взаимодействует только в присутствии окислителей, давая соли германиевой кислоты (германаты):

При взаимодействии с кислотами-окислителями германий может приобретать форму катиона, более соответствующую статусу металла. Так он реагирует с горячей концентрированной серной кислотой: