硅烷的制备和应用

硅烷是一种无色、与空气反应并会引起窒息的气体。硅烷即硅与氢的化合物，是一系列化合物的总称，包括甲硅烷( SiH4) 、乙硅烷( Si2H6) 和一些更高级的硅氢化合物，通式为SinH2n+2。其中，甲硅烷最为常见，有时也将甲硅烷简称为硅烷。该气体通常与空气接触会引起燃烧并放出很浓的白色的无定型二氧化硅烟雾。它对健康的首要危害是它自燃的火焰会引起严重的热灼伤，如果严重甚至会致命。如果火焰或高温作用在硅烷钢瓶的某一部分会使钢瓶在安全阀启动之前爆炸。如果泄放硅烷时压力过高或速度过快会引起滞后性的爆炸。泄漏的硅烷如没有自燃会非常危险，不要靠近。处理紧急情况的人员必须要有个人防护设备和适应当时情况的防火保护。不要试图在切断气源之前灭火。

在反应瓶和加料漏斗里分别装入1.14g LiAlH4于70mL乙醚中的溶液和2.30mL SiCl4于50mL乙醚中的图硅烷的制备装置溶液。在整个合成过程中，把冷浴和指型冷却管分别保持在-15～-20℃和-78.5℃。将仪器抽空后，乙醚开始回流，此时必须要注意避免过多的骤沸。然后，将靠近反应装置的U形管接收器冷却到-95℃(用甲苯冻膏)，其余四个接收器冷却到-196℃(液氮)。在搅拌下，用15min将SiCl4+乙醚溶液加入到LiAlH4悬浮液中。为了避免乙醚剧烈回流，使甲硅烷连续地以中等速度分出。调节反应器和真空管路之间的玻璃活塞便可以容易地控制反应速度。将SiCl4加完后，继续搅拌15～20min，以保证反应完全。在此期间，将反应器和真空系统切断以免乙醚逃逸过多。当甲硅烷从真空系统排净之后，将空气通入反应器，拆开真空系统。

硅烷气是太阳能电池生产过程中不可或缺的材料，因为它是将硅分子附着于电池表面的最有效方式。在高于400℃的环境下，硅烷气分解成气态硅和氢气。氢气燃烧后，剩下的就是纯硅了。此外，硅烷气可以说是无处不在。除了光伏产业外，还有很多制造工厂需要用到硅烷气，如平板显示器、半导体、甚至镀膜玻璃生产厂。

硅烷最早实用化和应用量最大的是作为生产高纯度硅的中间产物，一般称为硅烷法。历来生产高纯度硅的主要方法是三氯氢硅法(西门子法)。

硅烷的又一应用是非晶半导体非晶硅。与单晶半导体材料相比非晶硅的特点是容易形成极薄的(厚度10nm左右)大面积器件，衬底可以是玻璃、不锈钢、甚至塑料，表面可以是平面也可是曲面，因此可以制成各种性能优异的器件。

硅烷已成为半导体微电子工艺中使用的最主要的特种气体, 用于各种微电子薄膜制备, 包括单晶膜、微晶、多晶、氧化硅、氮化硅、金属硅化物等。硅烷的微电子应用还在向纵深发展: 低温外延、选择外延、异质外延。不仅用于硅器件和硅集成电路，也用于化合物半导体器件(砷化镓、碳化硅等)。在超晶格量子阱材料制备中也有应用。可以说现代几乎所有先进的集成电路的生产线都需用到硅烷。硅烷的纯度对器件性能和成品率关系极大，更高级的器件需要更高纯度的硅烷(包括乙硅烷、丙硅烷)。

硅烷作为含硅薄膜和涂层的应用已从传统的微电子产业扩展到钢铁、机械、化工和光学等各个领域。含硅涂层可使普通钢的高温耐氧化能力提高到10万倍以上,也可使其它金属的高温化学稳定性大大改善，使内燃机叶片的耐蚀性明显增强，使各种材料和零件之间的粘结强度大幅度提高，使汽车发动机零件的寿命延长，也可改变玻璃的反射和透射性能，从而得到显著的节能和装饰效果。在浮法玻璃生产过程中用硅烷在玻璃表面涂敷一层反光层其粘附力极强在长期阳光照射下不褪色, 透光率只有普通玻璃的1 /3; 用氮化硅涂敷的大面积多晶硅电池( BSNSC) 已达到15. 7%的高效率。用硅烷气相沉积技术制造各种含硅薄膜在高技术中的应用还在与日俱增。

硅烷还有一潜在应用是制造高性能陶瓷发动机零件尤其是使用硅烷制造硅化物( Si3N4 , SiC等) 微粉技术越来越受重视。美、日等国正在花成亿美元开发用硅、氮化硅和碳化硅微粉制造耐高温、高强度、高化学稳定性陶瓷。使用硅烷气相反应的方法制备的微粉纯度最高, 粒度细而匀, 可使陶瓷零部件性能大大提高。其应用领域极广, 例如汽车发动机的阀门和透平增压器转子已实用化, 高速轴承和高性能刀具已商品化, 用于内燃机可使工作温度高达1400℃ , 大大提高热机效率, 适用多种燃料, 延长使用寿命; 此外还可作为火箭的隔热瓦和隐身保护层