ケイ素

2014-02-12T09:13:52Z

180.42.145.98: /* 概要 */

{{redirect|シリコン|ケイ素を構造に含む樹脂|シリコーン}}
{{Elementbox
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|melting point K=1687
|melting point C=1414
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|boiling point K=2628
|boiling point C=2355<ref>T. Michael Duncan, Jeffrey Allen Reimer, [http://books.google.com/books?id=rxVBLC-mL_UC&pg=PA27 ''Chemical engineering design and analysis: an introduction''], p. 25, Cambridge University Press, 1998 ISBN 0521639565</ref>
|boiling point F=4271
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|heat fusion=50.21
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|heat vaporization=359
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|Entropy=18.7 J mol-1 K-1
|vapor pressure 1=1908
|vapor pressure 10=2102
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|vapor pressure 1 k=2636
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|vapor pressure 100 k=3537
|vapor pressure comment=
|japanese crystal structure=[[立方晶系]]
|crystal structure=cubic
|oxidation states='''4''', 3 , 2 , 1<ref>R. S. Ram et al. "Fourier Transform Emission Spectroscopy of the A2D–X2P Transition of SiH and SiD" [http://bernath.uwaterloo.ca/media/184.pdf J. Mol. Spectr. 190, 341–352 (1998)]</ref> -1, -2, -3, -4
|oxidation states comment=[[両性酸化物]]
|electronegativity=1.90
|number of ionization energies=4
|1st ionization energy=786.5
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|Van der Waals radius=210
|magnetic ordering=[[反磁性]]<ref>[http://www-d0.fnal.gov/hardware/cal/lvps_info/engineering/elementmagn.pdf Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds], in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press. </ref>
|electrical resistivity=
|electrical resistivity at 0=
|electrical resistivity at 20=103 <ref name=ioffe/>
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|Bulk modulus=100
|Poisson ratio=0.28<ref name=ioffe>http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si</ref>
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|CAS number=7440-21-3
|Band gap=1.12
|isotopes=
{{Elementbox_isotopes_stable | mn=28 | sym=Si | na=92.23 % | n=14}}
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|isotopes comment=
}}
'''ケイ素'''（ケイそ、珪素、硅素、{{lang-en-short|silicon}}、{{lang-la-short|silicium}}）は、[[原子番号]]14の[[元素]]である。[[元素記号]]は '''Si'''。「珪素」「硅素」「シリコン」とも表記・呼称される。[[地球]]の主要な構成元素のひとつ。[[半導体]]部品は非常に重要な用途である。

[[標準状態|常温・常圧]]で安定な[[結晶]]構造は、[[ダイヤモンド|ダイヤモンド構造]]。[[比重]]は2.33、[[融点]]1410 [[セルシウス度|{{℃}}]] (1420 {{℃}})、[[沸点]]は2600 {{℃}}（他に2355 {{℃}}、3280 {{℃}}という実験値あり）。ダイヤモンド構造のケイ素は、1.12 [[電子ボルト|eV]]の[[バンドギャップ]]（実験値）をもつ半導体である。これは[[非金属]]であるが、[[圧力]]（[[静水圧]]）を加えるとβスズ構造に[[構造相転移]]する。このβスズ構造のケイ素は[[金属]]である。[[周期表]]においてすぐ上の元素は[[炭素]]だが、その常温常圧での安定相である[[グラファイト|グラファイト構造]]は、ケイ素においては安定な構造として存在できない。

== 歴史 ==
[[1787年]]に[[アントワーヌ・ラヴォワジエ]]がはじめて[[元素]]として記載し、[[ラテン語]]で「[[燧石]]」を意味する "silex"・"silicis" にちなみ "silicon" と命名。だがラヴォワジエは燧石そのものを元素だと思っており、[[1800年]]になって[[ハンフリー・デービー]]により[[化合物]]と判明したことからこれは否定された。[[1823年]]に[[イェンス・ベルセリウス]]が[[四フッ化ケイ素]]と[[カリウム]]を加熱して単離に成功した。しかし、それ以前の[[1811年]]、[[ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサック]]と[[ルイ・テナール]]が同様の方法で[[アモルファスシリコン]]の分離に成功したと考えられている。

== 概要 ==
地殻中に大量に存在するため[[鉱物]]の構成要素として重要であり、[[ケイ酸塩]]鉱物として大きなグループを形成している。これには Si-O-Si 結合の多様性を反映したさまざまな鉱物が含まれている。しかしながら生物とのかかわりは薄く、知られているのは、[[放散虫]]・[[珪藻]]・[[シダ植物]]・[[イネ科]]植物などにおいて[[二酸化ケイ素]]のかたちでの骨格への利用に留まる。栄養素としての必要性はあまり判っていない。炭素とケイ素との化学的な類似から、SF などではケイ素を主要な構成物質とする[[ケイ素生物]]が想定される事がある。

[[バンドギャップ]]が常温付近で利用するために適当な大きさであること、[[ホウ素]]や[[リン]]などの不純物を微量[[ドープ|添加]]させることにより、[[p型半導体]]、[[n型半導体]]のいずれにもなることなどから、[[電子工学]]上重要な元素である。半導体部品として利用するためには高純度である必要があり、このため精製技術が盛んに研究されてきた。現在、ケイ素は99.9999999999999 % (15N<ref>「9」(Nine)が15個並ぶことを意味する略称。</ref>) まで純度を高められる。また、[[Si(111)]] 基板は[[原子間力顕微鏡|AFM]]や[[走査型トンネル顕微鏡|STM]]の標準試料としてよく用いられる。

== 用途 ==
[[File:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|90px|left|ケイ素の[[単結晶]]]]
=== 赤外光学系 ===
ケイ素は赤外域（波長2-6 μm）で高い透過率があり、レンズや窓の素材に用いられる。波長4 μmの屈折率は3.4255<ref>{{cite book |title=ユーザーエンジニアのための光学入門 |author=岸川利郎 |publisher=オプトロニクス |year=1990 |isbn=4-900474-30-4}}</ref>。

=== 半導体 ===
最も重要な用途としては、[[四塩化ケイ素]]や[[トリクロロシラン]]などから作られる[[高純度ケイ素]]が[[半導体]]作成に用いられることが挙げられる。また、[[液晶ディスプレイ]]の [[薄膜トランジスタ|TFT]] や[[太陽電池]]には[[アモルファスシリコン]]や多結晶シリコンなどが用いられる。[[ヒ化ガリウム]]や[[窒化ガリウム]]などの[[化合物半導体]]の基板にシリコンを用いれば大幅な低価格化が可能であり、様々な研究が進められている。

=== ケイ素含有合金 ===
[[電気炉]]における製鉄材料として[[鉄]]1トンあたり4 kg前後のケイ素が添加されるほか、ケイ素合金として[[製鉄]]の[[脱酸素剤]]に用いられる。そのほかに、ケイ素を混ぜた鋼板([[ケイ素鋼|ケイ素鋼板]])は、[[鉄損#渦電流損|うず電流]]による損失が少なくなるため、[[変圧器]]に使われている。[[アルミニウム]]工業の分野でもケイ素の合金が使われている。また、鉛レス黄銅にも添加される。

=== ケイ素含有セラミックス類 ===
ケイ素の酸化物（[[二酸化ケイ素|シリカ]]）を原料とする[[ガラス]]は、[[窓]]その他で使われるほか、[[繊維]]状にした[[グラスウール]]は[[断熱材]]や吸音材としても用途がある。[[ゼオライト]]は、[[イオン交換|イオン交換体]]、吸着剤あるいは、有機化学工業における[[触媒]]ともなっている。[[シリカゲル]]としては、非常に利用しやすい[[乾燥剤]]になる。

[[炭化ケイ素]]は、耐火材や抵抗体として使われたり、高い[[モース硬度]] (9.5) を持つために、[[研磨剤]]として使われる。その他のケイ素化合物として、[[アルミノケイ酸塩]]が[[粘土]]に含まれ、[[陶磁器|陶器]]や[[セメント]]・[[煉瓦]]など[[セラミックス]]と呼ばれる材料の主成分になっているほか、[[カルシウム]]化合物を除去する働きから、[[水]]の精製に使われるなどしている。

== ケイ酸塩・ケイ素樹脂 ==
ケイ酸塩は、さまざまな形で地殻上に存在しており、天然に存在するケイ素化合物のほとんどすべてが二酸化ケイ素およびケイ酸塩である。工業的にも広く用いられ、ガラス、陶磁器など、枚挙に暇がない。[[石綿|アスベスト]]は、繊維状のケイ酸塩鉱物であり、その耐薬品性や耐火性から以前は[[建材]]などに広く用いられたが、人体への悪影響が問題になったため、使用量は激減している。[[日本]]ではアスベストによる健康被害が社会問題となり、[[労働災害|労災]]認定や健康被害を受けた[[国民]]に対しての補償問題、また、依然として多く残るアスベストの撤去に対しての問題を抱える。

有機基を有するケイ素二次元および三次元酸化物は[[シリコーン]]と呼ばれる。このものは、優れた耐熱性、耐薬品性、低い毒性などの有用な性質を示し、[[油|油状]]のものは[[蝋|ワックス]]、[[熱媒体]]、[[消泡剤]]などに用いられる。三次元シリコーンはゴム弾性を示し、[[ゴム|ゴム状]]のものは[[ホース]]やチューブ、[[天然樹脂|樹脂状]]のものは[[塗料]]や[[絶縁体|絶縁材]]、接着剤など各種の用途に利用される。

== 製法 ==
=== 原料 ===
工業用ケイ素の主原料は SiO2 から成る[[二酸化ケイ素]]（[[珪石]]、[[珪砂]]、シリカとも）である。日本国内の埋蔵量は2億トンあるとされるが、アルミニウムと同様、酸化物から還元するには大量の電力を必要とするため、金属シリコンの状態になってから輸入するのが一般的である。電力の安い国が金属シリコンの供給源となるため、これまで中国、ブラジル、ロシア、南アフリカ、ノルウェーなどが主要な供給国であったが、近年は[[オーストラリア]]、[[マレーシア]]、[[ベトナム]]なども注目されているという{{要出典|date=2009年2月}}。

世界の[[二酸化ケイ素]]の埋蔵量は極めて潤沢であり、高純度のものも世界に広く分布する<ref name="USGS_Sand">[http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/silica/mcs-2008-sandi.pdf SAND AND GRAVEL(INDUSTRIAL)], [[アメリカ地質調査所]]</ref>。[[二酸化ケイ素#埋蔵量]]を参照。

=== 精製 ===
; 金属グレード (MG) シリコン
: ケイ素の単体はカーボン電極を使用したアーク炉を用いて、二酸化ケイ素を還元して得る。この際、精製されたケイ素は純度99%程度のものである。
{{Indent2|SiO2 + C → Si + CO2}}
{{Indent2|SiO2 + 2 C → Si + 2 CO}}
; 高純度ポリシリコン
: さらに純度を高めるには、[[塩素]]と反応させ[[四塩化ケイ素]]とし（ガス化）、これを[[蒸留]]して純度の高い製品を得る。
{{Indent2|Si + 2 Cl2 → SiCl4}}
{{Indent2|SiCl4 + 2 H2 → Si + 4 HCl}}
; 半導体グレード (SEG) シリコン
: [[集積回路]]など[[半導体素子]]に使用する超高純度のケイ素（純度 [[イレブンナイン|11N]] 以上）は、上記の高純度シリコンからさらに FZ（フローティングゾーン）法などの[[ゾーンメルト法|ゾーンメルティング]]や [[チョクラルスキー法|Cz（チョクラルスキー）法]]などの単結晶成長法による析出工程を経ることで製造される。ゾーンメルト法では融解帯に不純物が濃縮する過程を繰り返すことで高純度のケイ素を得る。Cz 法においては偏析を利用して高純度化するため、原料であるポリシリコン（[[多結晶]]珪素）には非常に純度の高いものが要求される。半導体に利用するには基本的に[[格子欠陥|結晶欠陥]]（転位）のない単結晶が必要なので、FZ 法においても Cz 法においても単結晶を回転させながら一旦細くし、転位を外に追い出した段階で結晶の径を大きくすることにより所定の大きさの結晶を得る。FZ 法は大口径化に向かないため、産業用に使用されている[[シリコンウェーハ]]の大部分は Cz 法によって製造されている。現在製品化されているシリコンウェーハの径は直径300 mmまでである。
; [[ソーラーグレードシリコン|太陽電池グレード (SOG) シリコン]]
: [[太陽電池]]には SEG グレードほどの超高純度は必要なく、7N 程度の純度で済み、また多結晶でも良い。このため上記の単結晶シリコンインゴットの端材などが原料に利用されてきたが、需要の増大に伴い、専用の太陽電池グレード（'''ソーラーグレード'''）シリコンの生産法が開発されている。手順としては上記の半導体グレードの精製工程を簡略化した方法のほか、下記のような手法が用いられる。半導体グレードに比べ、使用するエネルギーやコストが数分の1以下になるとされる手法が多い（[[ソーラーグレードシリコン]]を参照）。
:* 流動床炉 (FBR) 法：種結晶を気流で巻き上げながら、表面にシリコンを析出させる。
:* 冶金法：金属グレードシリコンから冶金学的手法によって直接ソーラーグレードシリコンを製造する。
:* 水ガラス化法：珪石 (SiO2) を[[水ガラス]]化した状態で高純度化してから還元する。
:* NEDO溶融精製法：金属グレードシリコンを電子ビームやプラズマで溶融させて特定の不純物を除いたあと、一方向凝固させる。
: ソーラーグレードシリコンは2006年頃には高純度シリコン市場の約半分を占め、今後もその割合は拡大すると見られている<ref name="Wacker_SOG_review">[http://www.wacker.com/cms/media/documents/investor_relations/280606_polysilicon_expansion.pdf Wacker Polysilicon: Expansion Announcement June 2006]（Wacker 社による生産量拡大のアナウンス資料）</ref>。今後はソーラーグレードが高純度シリコン生産量の大部分を占め、半導体級は特殊品になっていくと予測されている<ref name="NISTEP_Review">[http://www.nistep.go.jp/achiev/ftx/jpn/stfc/stt070j/0701_03_featurearticles/0701fa03/200701_fa03.html 河本洋、奥和田久美、高純度シリコン原料技術の開発動向]([[科学技術政策研究所]])</ref>。また太陽電池用シリコン原料は2008年までは供給の逼迫で価格が高止まりしていたが、2009年からは価格の低下が予測されている<ref name="greentech_SiPrice">[http://www.greentechmedia.com/articles/new-energy-finance-predicts-43-solar-silicon-price-drop-1288.html New Energy Finance Predicts 43% Solar Silicon Price Drop, greentechmedia, 18 August 2008]</ref>。

== ケイ素化合物 ==
* [[一酸化ケイ素]] (SiO)
* [[二酸化ケイ素]] (SiO2) - [[石英]]など
* [[ケイ酸]]
* [[窒化ケイ素]] (Si3N4)
* [[炭化ケイ素]] (SiC)
* [[ケイ酸塩]] (MgSiO3 など)
* [[四塩化ケイ素]] (SiCl4) - [[煙幕]]
* [[シラン (化合物)|シラン]] (SiH4)
* [[シリコーン]]
* [[ケイ素樹脂]]
* [[環状シロキサン]] (D3, D4 など)
* [[有機ケイ素化合物]] - [[トリメチルシリル基]] (-Si(CH3)3) などを有する[[有機化合物]]。[[保護基]]や[[脱離基]]として[[有機合成]]に汎用されている。

== 同位体 ==
{{main|ケイ素の同位体}}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
* SOG 製法
** [[山田興一]]・[[小宮山宏]]「太陽光発電工学」ISBN 4-8222-8148-5
** 小長井誠「薄膜太陽電池の基礎と応用」ISBN 4-274-94263-5
* SEG 製法シリコンウェーハ
** 志村史夫「半導体シリコン結晶工学」ISBN 4-621-03876-1

== 関連項目 ==
* [[半導体工学]]
* [[シリコンバレー]]
* [[珪藻]]
* [[プラント・オパール]]
* [[ケイ素生物]]

== 外部リンク ==
{{Commons|Silicon}}
{{Wiktionary|ケイ素}}
* [http://hfnet.nih.go.jp/contents/indiv_agreement.html?579 珪素 - 「健康食品」の安全性・有効性情報] （[[国立健康・栄養研究所]]）
* [http://www.nihs.go.jp/ICSC/icssj-c/icss1508c.html 国際化学物質安全性カードケイ素] - [[国立医薬品食品衛生研究所]]

{{元素周期表}}
{{ケイ素の化合物}}

{{DEFAULTSORT:けいそ}}
[[Category:ケイ素|*]]

{{Link FA|sk}}

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