സിലിക്കൺ: അണുസംഖ്യ 14 ആയ മൂലകം

സ്വതന്ത്രരൂപത്തിൽ വളരെ അപൂർവ്വമായേ പ്രകൃതിയിൽ കാണപ്പെടുന്നുള്ളൂ എങ്കിലും സിലിക്കൺ ഡൈ ഓക്സൈഡ്, സിലിക്കേറ്റ് തുടങ്ങിയ സംയുക്തങ്ങളുടെ രൂപങ്ങളിൽ ഗ്രഹങ്ങളിലും, ഗ്രഹസമാന വസ്തുക്കളിലും, നക്ഷത്രാന്തരപടലങ്ങളിലും ധാരാളമായി കാണപ്പെടുന്നു. ഭൗമോപരിതലത്തിൽ ഓക്സിജൻ കഴിഞ്ഞാൽ ഏറ്റവും അധികം കാണപ്പെടുന്ന മൂലകമാണിത്. ഭൂവൽക്കത്തിന്റെ 28.3% ഭാഗം സിലിക്കൺ ആണ്.

വ്യാവസായികലോകത്ത് വളരെ പ്രാധാന്യമുള്ള മൂലകമാണിത്. ഇലക്ട്രോണിക്സ്, കമ്പ്യൂട്ടർ മുതലായ മേഖലകളുടെ അടിസ്ഥാനമായ അർദ്ധചാലകങ്ങളുടെ നിർമ്മാണത്തിനുള്ള അസംസ്കൃതവസ്തു എന്ന നിലയിലാണ് സിലിക്കണിന് ഇന്നത്തെ സാഹചര്യത്തിൽ ഏറെ പ്രാധാന്യം ലഭിക്കുന്നത്. ജെർമേനിയവും ഇത്തരത്തിലുള്ള ഒരു അർദ്ധചാലകമാണെങ്കിലും, ജെർമേനിയത്തെ അപേക്ഷിച്ച് ഉയർന്ന താപനിലയിലും സിലിക്കൺ അർദ്ധചാലകമായിത്തന്നെ വർത്തിക്കുന്നതിനാലാണ് സിലിക്കൺ ഈ മേഖലയിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. സിലിക്ക, സിലിക്കേറ്റുകൾ എന്നീ രൂപത്തിൽ സ്ഫടികം, സിമന്റ്, സെറാമിക്സ് എന്നിവയിലേയും ഒരു പ്രധാന ഘടകമാണിത്. സിലിക്കൺ, ഓക്സിജൻ, ഹൈഡ്രജൻ എന്നീ മൂലകങ്ങൾ കൊണ്ട് നിർമ്മിക്കുന്ന സിലിക്കോണുകൾ എന്നറിയപ്പെടുന്ന വ്യാവസായികപ്രാധാന്യമുള്ള ഒരുതരം പ്ലാസ്റ്റിക്കിലെ ഘടകവുമാണിത്.

ജീവശാസ്ത്രത്തിലും പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്ന ഒരു മൂലകമാണിത്. ജന്തുക്കളുടെ ശരീരത്തിൽ വളരെ കുറഞ്ഞ അളവിൽ മാത്രമേ കാണപ്പെടുന്നുള്ളുവെങ്കിലും, സസ്യങ്ങളിൽ പ്രത്യേകിച്ച് പുല്ല് വർഗത്തിൽ പെട്ട ചെടികളിൽ ഇത് വളരെ പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്ന ഒന്നാണ്. സിലിക്കയുടെ ഒരു രൂപമായ സിലികിക് അമ്ലം, ചെറുജീവികളായ ഡയാടോം എന്ന ആൽഗകളുടെ പുറന്തോടിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന വസ്തുവാണ്.

ഇതിന്റെ പ്രതീകം Si എന്നും അണുസംഖ്യ 14-ഉം ആണ്. സംയോജകത 4 ആയുള്ള ഒരു അർദ്ധലോഹമാ‍ണ് ഇത്. മൂലകരൂപത്തിൽ സിലിക്കണിന് തിളക്കമുള്ള ചാരനിറമാണ് ഉള്ളത്. പരലിന്റെ വലിപ്പത്തിന് അനുപാതികമായി ഈ തിളക്കവും വർദ്ധിക്കുന്നു. ബലം, പെട്ടെന്ന് പൊട്ടാനുള്ള സാധ്യത എന്നീ കാര്യങ്ങളിൽ സ്ഫടികത്തെപ്പോലെത്തന്നെയാണ് സിലിക്കൺ. താരതമ്യേന പ്രവർത്തനശേഷി കുറഞ്ഞ ഒരു മൂലകമാണ് ഇതെങ്കിലും, ഹാലൊജനുകളുമായും നേർത്ത ക്ഷാരങ്ങളുമായും പ്രതിപ്രവർത്തിക്കാറുണ്ട്. പക്ഷേ നൈട്രിക് അമ്ലത്തിന്റേയും, ഹൈഡ്രോഫ്ലൂറിക് അമ്ലത്തിന്റേയും മിശ്രിതമൊഴികെയുള്ള മിക്കവാറും അമ്ലങ്ങളും സിലിക്കണിനെ ബാധിക്കുന്നില്ല. ഇൻഫ്രാറെഡ് തരംഗങ്ങളുടെ 95 ശതമാനത്തിലധികം തരംഗദൈർഘ്യങ്ങൾ സിലിക്കണിലൂടെ കടന്നു പോകുന്നു. സിലിക്കണിലെ ചാർജ് വാഹികളായ കണങ്ങളുടെ എണ്ണം താപനില വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് കൂടുന്നതിനാൽ ശുദ്ധ സിലിക്കണിന്റെ വൈദ്യുതപ്രതിരോധം താപനിലക്കനുസരിച്ച് കുറയുന്നു (negative temperature coefficient of resistance). പീസോ റെസിസ്റ്റീവ് പ്രഭാവം (piezoresistive effect) മൂലം യാന്ത്രികമർദ്ദം പ്രയോഗിച്ചും സിലിക്കൺ പരലിന്റെ വൈദ്യുതപ്രതിരോധത്തിന് കാര്യമായ മാറ്റം വരുത്താൻ സാധിക്കും.

കമ്പ്യൂട്ടറുകളിലെ ഐ.സി. ചിപ്പുകൾ, അതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട മറ്റു ഹാർഡ്‌വെയർ എന്നിവയുടെ നിർമ്മാണം പോലുള്ള വളരെ വ്യാവസായികപ്രാധാന്യമുള്ള ഒന്നാണ് സിലിക്കൺ.

• അലൂമിനിയം കൂട്ടിച്ചേർത്ത് സങ്കരമാക്കുന്നതിനാണ് ശുദ്ധ സിലിക്കൺ ഏറ്റവുമധികം ഉപയോഗിക്കുന്നത്. കനംകുറഞ്ഞ ഇത്തരം ലോഹസങ്കരങ്ങൾ വാഹനങ്ങളുടെ നിർമ്മാണത്തിനാണ് പ്രധാനമായും ഉപയോഗിക്കുന്നത്. സിലിക്കണിന്റെ ലോകവ്യാപകമായ ആകെ ഉപയോഗത്തിന്റെ 55 ശതമാനവും ഈ മേഖലയിലാണ്.
• ശുദ്ധ സിലിക്കണിന്റെ രണ്ടാമത്തെ പ്രധാന ഉപയോഗമേഖല, സിലിക്കോണുകൾ എന്ന പ്ലാസ്റ്റിക്കുകളുടെ നിർമ്മാണമാണ്. ആകെ ഉപയോഗത്തിന്റെ 40% വരുമിത്.
• ശുദ്ധ സിലിക്കണിൽ നിന്നും നിർമ്മിക്കുന്ന അതിശുദ്ധ സിലിക്കണിൽ മറ്റു ചില മൂലകങ്ങൾ കുറഞ്ഞ അളവിൽ ചേർത്ത് ഇതിലെ വൈദ്യുതധാരാ വാഹികളായ കണങ്ങളുടെ എണ്ണത്തെയും അവയുടെ വൈദ്യുതചാർജിനേയും ഫലപ്രദമായി നിയന്ത്രിക്കാൻ സാധിക്കും. ഇത്തരത്തിൽ ഡോപിങ്ങിനു (doping) വിധേയമാക്കിയ അർദ്ധചാലകങ്ങളാണ് (extrincic semicondutors), സൗരോർജ്ജ സെൽ, ഇലക്ട്രോണിക്സിന്റെ അടിസ്ഥാന ഘടകങ്ങളായ ട്രാൻസിസ്റ്റർ, ഡയോഡ് മുതലായവയുടേയും അടിസ്ഥാന നിർമ്മാണ ഘടകം.
• 1698 നാനോമീറ്റർ തരംഗദൈർഘ്യമുള്ള, രാമൻ ലേസർ എന്ന ലേസറിന്റെ നിർമ്മാണത്തിന് സിലിക്കൺ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• ലിക്വിഡ് ക്രിസ്റ്റൽ ഡിസ്പ്ലേ അഥവാ എൽ.സി.ഡി. യുടെ നിർമ്മാണം.
• ചെലവുകുറഞ്ഞ സൗരോർജ്ജസെല്ലുകളുടെ നിർമ്മാണം.
• ഉരുക്കിന്റേയും കാസ്റ്റ് അയേണിന്റേയും നിർമ്മാണം - ചില തരം ഉരുക്കുകളിലെ പ്രധാന ഘടകമാണ് സിലിക്കൺ. കാസ്റ്റ് അയേൺ നിർമ്മാണ പ്രക്രിയയിലാണ് സിലിക്കൺ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നത്.

സംയുക്തരൂപത്തിൽ

• നിർമ്മാണപ്രവർത്തനം - നമുക്ക് സുപരിചിതമായ മണലിന്റേയും കളിമണ്ണിലേയും രൂപത്തിൽ സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡ് അഥവാ സിലിക്ക, കോൺക്രീറ്റ്, ഇഷ്ടിക എന്നിവയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. നിർമ്മാണപ്രവർത്തനങ്ങളിലെ അവിഭാജ്യഘടകമായ പോർട്ട്‌ലാന്റ് സിമന്റിന്റെ നിർമ്മാണത്തിനും സിലിക്ക ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• ഉയർന്നതാപനിലയെ പ്രതിരോധിക്കുന്ന ചുടുകട്ടകൾ (ഫയർ ബ്രിക്സ്), ഇനാമലുകൾ എന്നിവയുടെ നിർമ്മാണത്തിന് സിലിക്കേറ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• മണലിൽ നിന്നുള്ള സിലിക്കയാണ് സ്ഫടികനിർമ്മാണത്തിലെ പ്രധാന അസംസ്കൃതവസ്തു.
• അബ്രസീവുകൾ - സിലിക്കൺ കാർബൈഡ്, തറയും മറ്റും മിനുസപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട അബ്രസീവ് ആണ്.
• വൈദ്യശാസ്ത്രരംഗം - സിലിക്കൺ-ഓക്സിജൻ, സിലിക്കൺ-കാർബൺ രാസബന്ധനങ്ങളുള്ള സിലിക്കോണുകൾ, വളരെ അയവുള്ള പദാർത്ഥങ്ങളാണ്. കോണ്ടാക്റ്റ് ലെൻസുകളുടെ നിർമ്മാണത്തിനും, കൃത്രിമ സ്തനം വച്ചുപിടിപ്പിക്കുന്നതിനും ഇത് ഉപയോഗിക്കുന്നു.

സിലിക്കേറ്റുകൾ അടങ്ങിയിട്ടുള്ള ഒരു ധാതുവായ ഫ്ലിന്റിന്റെ (flint) ലത്തീൻ ഭാഷയിലുള്ള പേരുകളായ സിലെക്സ്, സിലിസിസ് എന്നിവയിൽ നിന്നുമാണ് സിലിക്കൺ എന്ന പേര് ഈ മൂലകത്തിനു കിട്ടിയത്. 1787-ൽ ആന്റൺ ലാവോസിയർ ആണ് ഇത് ആദ്യമായി കണ്ടെത്തിയത്. 1811-ൽ ഗയ്-ലൂസകും തേനാർഡും ചേർന്ന് ശുദ്ധമല്ലാത്ത രൂപത്തിൽ സിലിക്കൺ (impure amorphous silicon) നിർമ്മിച്ചു. സിലിക്കൺ ടെട്രാഫ്ലൂറൈഡും പൊട്ടാസ്യവും ചേർത്ത് ചൂടാക്കിയാണ് ഇത് നിർമ്മിച്ചത്. ഏതാണ്ട് ഇതേ രീതിയിൽത്തന്നെ 1824-ൽ ബെർസേലിയസും സിലിക്കൺ നിർമ്മിച്ചു. തുടർച്ചയായി കഴുകി അദ്ദേഹം സിലിക്കണിനെ ശുദ്ധമാക്കുകയും ചെയ്തു.

അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളിലും, ഉന്നത സാങ്കേതികവിദ്യകളിലും ഈ മൂലകത്തിന്റെ പ്രാധാന്യം കണക്കിലെടുത്ത്, അമേരിക്കയിൽ ഇത്തരം വ്യവസായങ്ങൾ കേന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുന്ന സ്ഥലത്തിന് സിലിക്കൺ വാലി എന്നാണ് പേരിട്ടിരിക്കുന്നത്.

ഭൂതലത്തിന്റെ ആകെ പിണ്ഡത്തിന്റെ 25.7% വരുന്ന സിലിക്കൺ ഭൂമിയിൽ ഏറ്റവും സുലഭമായ രണ്ടാമത്തെ മൂലകമാണ്. ഓക്സിജനാണ് ഒന്നാം സ്ഥാനം. ശുദ്ധ സിലിക്കൺ പരലുകൾ പ്രകൃതിദത്തമായി വളരെ വിരളമായേ കാണപ്പെടുന്നുള്ളൂ. അഗ്നിപർവതങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള ലാവയിൽ സ്വർണ്ണവുമായി ചേർന്ന അവസ്ഥയിൽ ഇവ കണ്ടു വരുന്നുണ്ട്. സിലിക്കൺ ഡൈ ഓക്സൈഡ് അഥവാ സിലിക്ക, സിലിക്കേറ്റ് എന്നീ രൂപങ്ങളിലാണ് സിലിക്കൺ പ്രകൃതിയിൽ കണ്ടുവരുന്നത്.

മണൽ, ക്വാർട്സ്, ചാൾസിഡണി, ഓപൽ, അമെതിസ്റ്റ്, എഗേറ്റ്, ഫ്ലിന്റ്, ജാസ്പെർ മുതലായവ സിലിക്ക അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ധാതുക്കളാണ്.

ഫെൽഡ്സ്പാർ പോലെയുള്ള സിലിക്കേറ്റുകൾ (സിലിക്കണും, ഓക്സിജനും, മറ്റേതെങ്കിലും ലോഹങ്ങളും ചേർന്ന സംയുക്തങ്ങൾ) അടങ്ങിയ ധാതുക്കളുടെ രൂപത്തിലും സിലിക്കൺ പ്രകൃതിയിൽ കാണപ്പെടുന്നുണ്ട്. ആസ്ബെസ്റ്റോസ്, ഫെൽഡ്സ്പാർ, കളിമണ്ണ്, ഹോൺബ്ലെൻഡ്, മൈക്ക തുടങ്ങിയവയാണ് അത്തരം ധാതുക്കൾ.

ഏറോലൈറ്റുകൾ എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഒരുതരം ഉൽക്കകളിലെ പ്രധാന ഘടകമാണ് സിലിക്കൺ. അതുപോലെ പ്രകൃതിദത്തമായ ടെക്റ്റൈറ്റുകൾ എന്ന സ്ഫടികത്തിലേയും ഒരു ഘടകമാണിത്.

ശുദ്ധമായ സിലിക്കയെ മരം, ചാർകോൾ, കൽക്കരി എന്നിവ ചേർത്ത് ഒരു വൈദ്യുത തീപ്പൊരി ചൂളയിൽ (electric arc furnace) നിരോക്സീകരണം നടത്തിയാണ് വ്യാവസായികമായി സിലിക്കൺ നിർമ്മിക്കുന്നത്. കാർബൺ ആണ് ഈ ചൂളയിൽ ഇലക്ട്രോഡുകളായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. താപനില 1900 °C-ൽ എത്തുമ്പോൾ കാർബൺ സിലിക്കയെ നിരോക്സീകരിച്ച് സിലിക്കൺ ആക്കി മാറ്റുന്നു. ഈ പ്രവർത്തനത്തിന്റെ രാസവാക്യം:

SiO₂ + C → Si + CO₂

ദ്രവരൂപത്തിലുള്ള സിലിക്കൺ ചൂളയുടെ അടിയിൽ നിന്നും ശേഖരിക്കുന്നു. മെറ്റലർജിക്കൽ നിലവാരമുള്ള സിലിക്കണാണ് ഈ രീതിയിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നത്. ഇതിന്റെ ശുദ്ധത എകദേശം 98% ആണ്. ഈ രീതിയിൽ സിലിക്കൺ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കപെടുമ്പോൾ സിലിക്കൺ കാർബൈഡും (SiC) ഉണ്ടാകാനുള്ള സാധ്യതയുണ്ട്. എങ്കിലും സിലിക്കയുടെ അളവ് ആവശ്യത്തിന് വർദ്ധിപ്പിച്ചാൽ ഈ സിലിക്കൺ കാർബൈഡും നിരോക്സീകരിക്കപ്പെട്ട് സിലിക്കണായി മാറുന്നു.

2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2 CO

അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന സിലിക്കണിന് മെറ്റലർജിക്കൽ നിലവാരത്തിൽ കിട്ടുന്ന സിലിക്കണിനെ അപേക്ഷിച്ച് ശുദ്ധത കൂടുതൽ വേണം. ഇങ്ങനെ കൂടിയ ശുദ്ധതയുള്ള സിലിക്കൺ നിർമ്മിക്കുന്നതിന് ഒന്നിലധികം പ്രക്രിയകളുണ്ട്. ഉരുക്കിയ ശേഷം വീണ്ടും ഘനീഭവിപ്പിച്ചും, അമ്ലത്തിൽ ലയിപ്പിച്ചുമാണ് സിലിക്കണിനെ മുൻ‌കാലങ്ങളിൽ ശുദ്ധീകരിച്ചിരുന്നത്.

സിലിക്കണിനെ നേരിട്ട് ശുദ്ധീകരിക്കുന്നതിനു പകരം, ആദ്യം മറ്റു സംയുക്തങ്ങളാക്കി മാറ്റിയ ശേഷം അതിൽ നിന്നും ശുദ്ധമായ സിലിക്കൺ വേർതിരിച്ചെടുക്കുന്ന രീതിയാണ് ഇന്ന് കൂടുതലായും അവലംബിക്കുന്നത്. ട്രൈക്ലോറോ സൈലേൻ ആണ് ഇത്തരത്തിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന സംയുക്തം. സിലിക്കൺ ടെട്രാക്ലോറൈഡ്, സൈലേൻ എന്നീ സംയുക്തങ്ങളും ഈ ആവശ്യത്തിനു വേണ്ടി ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ട്. ഉയർന്ന താപനിലയിൽ, ഈ വാതകങ്ങൾ സിലിക്കണിനു മുകളിലൂടെ പ്രവഹിപ്പിക്കുമ്പോൾ അവയിൽ നിന്നും ശുദ്ധ സിലിക്കൺ വേർതിരിയുന്നു.

ഇത്തരത്തിൽ ട്രൈക്ലോറോസൈലേൻ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ഒരു ശുദ്ധീകരണരീതിയാണ് സീമെൻസ് പ്രക്രിയ. ഈ പ്രക്രിയയുടെ രാസസമവാക്യം:

2 HSiCl₃ → Si + 2 HCl + SiCl₄

 

ഇത്തരത്തിലുള്ള പ്രക്രിയകളിൽ നിന്നും ഉണ്ടാക്കുന്ന സിലിക്കണിനെ പോളി ക്രിസ്റ്റലൈൻ സിലിക്കൺ എന്നു പറയുന്നു. ഇതിലെ അശുദ്ധ പദാർത്ഥങ്ങളുടെ നില (impurity level) 10^-9 -ലും കുറവായിരിക്കും.

സിലിക്കൺ ടെട്രാക്ലോറൈഡിനെ 950 °C താപനിലയിൽ സംശുദ്ധമായ നാക ബാഷ്പവുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിപ്പിച്ച് വളരെ ശുദ്ധമായ സിലിക്കൺ നിർമ്മിക്കാനുള്ള വിദ്യ, ഡ്യൂപോണ്ട് എന്ന അമേരിക്കൻ സ്ഥാപനം പുറത്തിറക്കിയെങ്കിലും പ്രായോഗിക ബുദ്ധിമുട്ടുകൾ മൂലം ഈ രീതി പ്രചാരത്തിലായില്ല.

പരൽ‌വൽക്കരണം

ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾക്കു വേണ്ട സിലിക്കൺ പരലുകൾ അധികവും നിർമ്മിച്ചെടുക്കുന്നത്, ചൊക്രാൾസ്കി പ്രക്രിയയിലൂടെയാണ് (Czochralski process, (CZ-Si)). വളരെ ചെലവു കുറഞ്ഞതാണെന്നതും വളരെ വലിയ പരലുകൾ ഈ രീതിയിലൂടെ നിർമ്മിച്ചെടുക്കാമെന്നതുമാണ് ഇതിന്റെ മേന്മകൾ. എങ്കിലും കൂടുതൽ ശുദ്ധത ആവശ്യമുള്ള ഉപയോഗങ്ങൾക്ക് (ഉന്നത ശക്തി ഉപയോഗങ്ങൾക്ക് (high power applications)) ഫ്ലോട്ട്-സോൺ സിലിക്കൺ (float-zone silicon (FZ-Si)) എന്ന രീതിയാണ് പരൽ നിർമ്മാണത്തിന് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. FZ-Si രീതിയിലൂടെ വലിയ പരലുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നത് എളുപ്പമല്ല. അതുകൊണ്ട് ചൊക്രാൾസ്കി രീതി തന്നെയാണ് അർദ്ധചാലകവ്യവസായരംഗത്ത് സിലിക്കൺ പരലുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിനുപയോഗിക്കുന്ന ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട രീതി.