硅烷的制備和應用

硅烷是一種無色、與空氣反應并會引起窒息的氣體。硅烷即硅與氫的化合物，是一系列化合物的總稱，包括甲硅烷( SiH4) 、乙硅烷( Si2H6) 和一些更高級的硅氫化合物，通式為SinH2n+2。其中，甲硅烷最為常見，有時也將甲硅烷簡稱為硅烷。該氣體通常與空氣接觸會引起燃燒并放出很濃的白色的無定型二氧化硅煙霧。它對健康的首要危害是它自燃的火焰會引起嚴重的熱灼傷，如果嚴重甚至會致命。如果火焰或高溫作用在硅烷鋼瓶的某一部分會使鋼瓶在安全閥啟動之前爆炸。如果泄放硅烷時壓力過高或速度過快會引起滯后性的爆炸。泄漏的硅烷如沒有自燃會非常危險，不要靠近。處理緊急情況的人員必須要有個人防護設備和適應當時情況的防火保護。不要試圖在切斷氣源之前滅火。

在反應瓶和加料漏斗里分別裝入1.14g LiAlH4于70mL乙醚中的溶液和2.30mL SiCl4于50mL乙醚中的圖硅烷的制備裝置溶液。在整個合成過程中，把冷浴和指型冷卻管分別保持在-15～-20℃和-78.5℃。將儀器抽空后，乙醚開始回流，此時必須要注意避免過多的驟沸。然后，將靠近反應裝置的U形管接收器冷卻到-95℃(用甲苯凍膏)，其余四個接收器冷卻到-196℃(液氮)。在攪拌下，用15min將SiCl4+乙醚溶液加入到LiAlH4懸浮液中。為了避免乙醚劇烈回流，使甲硅烷連續地以中等速度分出。調節反應器和真空管路之間的玻璃活塞便可以容易地控制反應速度。將SiCl4加完后，繼續攪拌15～20min，以保證反應完全。在此期間，將反應器和真空系統切斷以免乙醚逃逸過多。當甲硅烷從真空系統排凈之后，將空氣通入反應器，拆開真空系統。

硅烷氣是太陽能電池生產過程中不可或缺的材料，因為它是將硅分子附著于電池表面的最有效方式。在高于400℃的環境下，硅烷氣分解成氣態硅和氫氣。氫氣燃燒后，剩下的就是純硅了。此外，硅烷氣可以說是無處不在。除了光伏產業外，還有很多制造工廠需要用到硅烷氣，如平板顯示器、半導體、甚至鍍膜玻璃生產廠。

硅烷最早實用化和應用量最大的是作為生產高純度硅的中間產物，一般稱為硅烷法。歷來生產高純度硅的主要方法是三氯氫硅法(西門子法)。

硅烷的又一應用是非晶半導體非晶硅。與單晶半導體材料相比非晶硅的特點是容易形成極薄的(厚度10nm左右)大面積器件，襯底可以是玻璃、不銹鋼、甚至塑料，表面可以是平面也可是曲面，因此可以制成各種性能優異的器件。

硅烷已成為半導體微電子工藝中使用的最主要的特種氣體, 用于各種微電子薄膜制備, 包括單晶膜、微晶、多晶、氧化硅、氮化硅、金屬硅化物等。硅烷的微電子應用還在向縱深發展: 低溫外延、選擇外延、異質外延。不僅用于硅器件和硅集成電路，也用于化合物半導體器件(砷化鎵、碳化硅等)。在超晶格量子阱材料制備中也有應用。可以說現代幾乎所有先進的集成電路的生產線都需用到硅烷。硅烷的純度對器件性能和成品率關系極大，更高級的器件需要更高純度的硅烷(包括乙硅烷、丙硅烷)。

硅烷作為含硅薄膜和涂層的應用已從傳統的微電子產業擴展到鋼鐵、機械、化工和光學等各個領域。含硅涂層可使普通鋼的高溫耐氧化能力提高到10萬倍以上,也可使其它金屬的高溫化學穩定性大大改善，使內燃機葉片的耐蝕性明顯增強，使各種材料和零件之間的粘結強度大幅度提高，使汽車發動機零件的壽命延長，也可改變玻璃的反射和透射性能，從而得到顯著的節能和裝飾效果。在浮法玻璃生產過程中用硅烷在玻璃表面涂敷一層反光層其粘附力極強在長期陽光照射下不褪色, 透光率只有普通玻璃的1 /3; 用氮化硅涂敷的大面積多晶硅電池( BSNSC) 已達到15. 7%的高效率。用硅烷氣相沉積技術制造各種含硅薄膜在高技術中的應用還在與日俱增。

硅烷還有一潛在應用是制造高性能陶瓷發動機零件尤其是使用硅烷制造硅化物( Si3N4 , SiC等) 微粉技術越來越受重視。美、日等國正在花成億美元開發用硅、氮化硅和碳化硅微粉制造耐高溫、高強度、高化學穩定性陶瓷。使用硅烷氣相反應的方法制備的微粉純度最高, 粒度細而勻, 可使陶瓷零部件性能大大提高。其應用領域極廣, 例如汽車發動機的閥門和透平增壓器轉子已實用化, 高速軸承和高性能刀具已商品化, 用于內燃機可使工作溫度高達1400℃ , 大大提高熱機效率, 適用多種燃料, 延長使用壽命; 此外還可作為火箭的隔熱瓦和隱身保護層