Силан (7803-62-5) Физические и химические свойства
Силан
Бесцветный, легковоспламеняющийся газ кремнийводород, промышленно применяемый как реактивный прекурсор для осаждения кремния и синтеза специальных материалов.
| CAS Number | 7803-62-5 |
| Семейство | Силаны (кремнийводороды) |
| Типичная форма | Бесцветный газ (сжатый) |
| Распространённые сорта | EP |
Силан — самый простой кремнийводород (химическая формула H4Si или SiH4), моноядерный неорганический гидрид и родоначальник семейства силанов. По структуре представляет собой тетраэдрическую молекулу с одним атомом кремния, связанным с четырьмя атомами водорода; геометрия и связи формально аналогичны метану, но с более крупными и поляризуемыми связями Si–H. Электронная структура характеризуется преимущественно сигма-связями между sp3 орбиталями кремния и 1s орбиталями водорода; молекула является центросимметричной и, следовательно, в целом неполярной, с незначительным постоянным дипольным моментом и вычисленной топологической полярной площадью равной 0.
При нормальных условиях силан — лёгкий газ с низкой молекулярной массой, высокой летучестью и слабым межмолекулярным взаимодействием. Он не обладает донорными или акцепторными функциями водородных связей, не содержит вращающихся связей и имеет молекулярную массу 32.117 (см. молекулярные параметры ниже). Химически силан — сильный восстановитель, который легко окисляется или разлагается; способен самовоспламеняться на воздухе (пирофорное поведение) и вступает в реакции с окислителями, галогенами и некоторыми ковалентными хлоридами. Водная гидролиз происходит медленно с образованием водорода и гидратированных оксидов кремния; термическое разложение при повышенных температурах приводит к выделению водорода и осаждению высокочистого кремния.
Промышленное значение силана обусловлено его ролью газообразного источника кремния: он является основным прекурсором для химического осаждения из паровой фазы (CVD) и эпитаксиального роста кремниевых и кремнийсодержащих плёнок (включая аморфный и поликристаллический кремний), использующихся в полупроводниковом и фотоэлектрическом производстве. Совмещение летучести с чистым разложением до кремния делает его эталонным сырьём в электронике и фотоэлектрике.
Распространённые коммерческие сорта для данного вещества включают: EP.
Основные физические свойства
Плотность
- Плотность жидкости: 0.68 при \(-185\,^\circ\mathrm{C}\) (жидкость).
- Сообщаемые плотности газовой и относительной плотности: 1.11 (относительная плотность газа) и относительная плотность пара (воздух = 1): 1.3.
- Плотность газа: 1.44 \(\mathrm{г}\,\mathrm{л}^{-1}\) (указана как удельная плотность газа).
Пояснение: При стандартных условиях силан — очень лёгкий газ; сообщаемые относительные плотности пару, превышающие единицу, указывают, что пары могут быть равными или немного тяжелее воздуха в зависимости от условий и метода измерения. Плотность жидкости приведена для криогенной температуры, при которой силан конденсируется.
Температура плавления
- Указана температура плавления: \(-185\,^\circ\mathrm{C}\) (также приведена как \(-301\,^\circ\mathrm{F}\)).
При необходимости при работе с сжиженным силаном эти криогенные фазовые переходы обозначают температурный режим затвердевания/сжижения.
Температура кипения
- Указана температура кипения: \(-112\,^\circ\mathrm{C}\) (также как \(-169\,^\circ\mathrm{F}\)); в одном источнике указано \(-169\,^\circ\mathrm{F}\) при \(760\,\mathrm{ммHg}\).
Очень низкая температура кипения объясняет наличие силана в газообразном состоянии при комнатной температуре и необходимость использования сжиженных газовых баллонов или криогенного хранения для конденсированного вида.
Давление паров
- Указано давление паров: >1\,\mathrm{атм}.
Качественно: Давление паров подтверждает, что при нормальных температурах силан находится в газовой фазе и оказывает значительное парциальное давление; стандартной практикой является хранение в баллонах.
Температура вспышки
- Указано: нет данных (газ).
Силан классифицируется как чрезвычайно легковоспламеняющийся/пирофорный газ; температура вспышки не применима к сжатому или атмосферному газовому состоянию.
Химические свойства
Растворимость и фазовое поведение
- Растворимость: описывается как разлагающийся в воде; «медленно разлагается в воде»; «растворимость в воде: медленная реакция».
- Фаза при нормальных условиях: газ или пар; бесцветный газ с характерным (резким) запахом.
Интерпретация: Силан не растворяется как стабильное молекулярное вещество в обычных органических растворителях (практически нерастворим в спирте, эфире, бензоле, хлороформе и т. д., согласно отчетам) и химически реактивен в водных средах, медленно гидролизуясь с образованием кремниевых солей и водорода. В технологической практике его фазовое поведение определяется транспортом в газовой фазе и быстрым разбросом; конденсированное (жидкое) состояние силана существует только при повышенном давлении или криогенных условиях.
Реактивность и стабильность
- Сообщаемая стабильность: стабилен при обычной температуре, но разлагается при повышенных температурах (полное разложение около \(\sim 400\,^\circ\mathrm{C}\)); разложение сопровождается выделением водорода и осаждением кремния. Сообщается о быстром разложении при \(500\,^\circ\mathrm{C}\) и полном разложении около \(400\,^\circ\mathrm{C}\).
- Самовозгорание / пирофорность: описывается как пирофорный; силан может самовоспламеняться на воздухе и имеет низкую энергию воспламенения.
- Предупреждения о реактивности / несовместимости: сильный восстановитель; реактивен с водой (особенно в присутствии щелочей), бурно реагирует или горит при контакте с галогенами (бром, хлор) или некоторыми ковалентными хлоридами; реакции с окислителями; смеси с оксидами азота и закисью азота могут легко взрываться.
- Поведение при разложении: разлагается с образованием кремния и водорода при нагревании или горении; разложение может быть взрывным в замкнутом пространстве.
Эксплуатационная заметка: Системы обращения с силаном требуют мер по предотвращению контакта с окислителями и галогенами, устранению источников возгорания и инженерных средств безопасности для предотвращения накопления и случайного выброса. Даже следовые примеси или другие силаны в смеси могут изменять поведение при возгорании.
Термодинамические данные
Стандартные энтальпии и теплоёмкость
Экспериментально подтверждённых значений для данного свойства в текущем контексте данных нет.
Комментарий: хотя агрегированные списки и базы данных могут содержать термодинамические таблицы для малых гидридов, конкретные численные значения стандартной энтальпии образования или теплоёмкости для силана здесь не приведены.
Молекулярные параметры
Молекулярная масса и формула
- Молекулярная формула: H4Si (также указывается как SiH4).
- Молекулярная масса: 32.117 (единицы — \(\mathrm{г}\,\mathrm{моль}^{-1}\)).
Вычисленные дескрипторы: - Точная масса / моноизотопная масса: 32.008226662. - Количество тяжёлых атомов: 1. - Формальный заряд: 0. - Количество ковалентно связанных единиц: 1. - Соединение канонизировано: да.
LogP и полярность
- Топологическая полярная площадь (TPSA): 0.
- Количество доноров водородных связей: 0.
- Количество акцепторов водородных связей: 0.
- Количество вращающихся связей: 0.
- Сложность молекулы: 0.
Толкование: Силан в основном неполярен и не содержит полярных функциональных групп; классические показатели распределения, такие как logP, не имеют большого смысла для газообразного неорганического гидрида. Отсутствие полярной поверхности и способности к водородным связям соответствует низкой межмолекулярной полярности в молекулярном смысле; однако высокая поляризуемость связей Si–H и реакционная способность в газовой фазе определяют многие физические и химические свойства.
Структурные особенности
Силан представляет собой тетраэдрический SiH4-вид (Si с номинальной sp3-гибридизацией). Связи Si–H более поляризуемы и длиннее, чем C–H; больший атомный радиус кремния и более низкая электроотрицательность по сравнению с углеродом приводят к связям, которые легче поляризуются и более подвержены окислительному или радикальному воздействию. Симметрия молекулы (Td) приводит к отсутствию постоянного диполя, но реакционная способность определяется восстановительным характером связи Si–H и легкой гомолитической или гетеролитической диссоциацией связи Si–H при соответствующих энергетических или катализаторных условиях. Реакции в газовой фазе и на поверхности (например, пировоздушное разложение на нагретых подложках) являются ключевыми для использования силина в качестве источника кремния.
Идентификаторы и синонимы
Реестровые номера и коды
- CAS номера: 7803-62-5
- EC номер: 232-263-4
- Номер ООН / для перевозки: 2203
- Описание перевозки по ООН/NA: UN 2203; Silane
- UN ID (DOT): UN2203
- Класс опасности по ООН: 2.1 (легковоспламеняющийся газ)
- UNII: 5J076063R1
- RTECS номер: VV1400000
- ChEBI: CHEBI:29389
- DSSTox ID вещества: DTXSID6052534
- ICSC номер: 0564
- Коды Nikkaji и другие регистрационные коды, указанные в списках поставщиков (приведены в исходных материалах)
- InChI: InChI=1S/H4Si/h1H4
- InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N
- SMILES: [SiH4]
(Приведённые идентификаторы взяты из опубликованных реестров и списков структурных дескрипторов.)
Синонимы и структурные наименования
Приведённые синонимы (выборочно, по поставщику): - монокремний - силитан - тетрагидрид кремния - SILANE - Silicane - Monosilane - гидрид кремния - SiH4 - тетрагидридосиликон - H4Si - гидрид кремния (SiH4) - [SiH4] - тетрагидрид кремния
Эти альтернативные названия и коды используются взаимозаменяемо в поставках, регуляторных документах и научной литературе; указанный выше CAS номер является основным числовым реестровым обозначением.
Промышленные и коммерческие применения
Типовые области применения и отрасли
- Основное применение: газообразный прекурсор для осаждения кремния при производстве полупроводников и фотогальванических элементов; источник сверхчистого кремния для процессов CVD и эпитаксиального выращивания.
- Прочие технологические применения: агент легирования при производстве полупроводниковых приборов; исходное сырьё для получения аморфного кремния и некоторых органосиликоновых производных путём контролируемого присоединения или пиролиза.
- Отрасли: производство полупроводников, электронные материалы, производство солнечных элементов, поставка специальных газов.
Высокая летучесть силина и его чистое разложение с образованием элементарного кремния и водорода являются основными причинами его выбора в качестве технологического газа для получения высокочистых кремниевых слоёв.
Роль в синтезе и формациях
- Силан является фундаментальным строительным блоком для синтеза высших силинов и органосиланов путём присоединения или контролируемого гидроуглеродного функционализирования. В промышленности он часто используется в газофазных процессах (CVD, LPCVD) и как восстановитель в определённых синтетических схемах.
- Пиролитическое разложение силина на нагретых подложках обеспечивает осаждение кремниевых плёнок; селективное термическое разложение применяется для контроля морфологии и чистоты плёнок.
При необходимости жидкостного обращения или хранения могут использоваться смеси и высшие силины; зарегистрированные примеси в коммерческих газах могут включать летучие гидриды, такие как фосфин или арсин в следовых количествах, которые должны контролироваться для применения в полупроводниках.
Обзор безопасности и обращения
Острая и профессиональная токсичность
- Данные о токсичности при вдыхании (сообщенные): показатели LC50 (крыс) составляют 9600 \(\mathrm{ppm}\) / 4 ч и альтернативно 4000 \(\mathrm{ppm}\) / 4 ч в различных исследованиях. Зарегистрирована смертность мышей при высоких концентрациях (например, 10000 \(\mathrm{ppm}\) в течение 4 ч). Сообщенный показатель LD50 (кролик, подкожно): 3540 \(\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}\).
- Целевые органы / эффекты: глаза, кожа, дыхательная система и центральная нервная система. Симптомы воздействия включают кашель, головную боль, тошноту, боль в горле; контакт с жидкостью может вызвать обморожение; раздражает кожу и глаза.
- Пределы профессионального воздействия (сообщенные): среднесменный уровень (TWA) \(5\,\mathrm{ppm}\) (эквивалентно \(7\,\mathrm{mg}\,\mathrm{м}^{-3}\)); рекомендации по максимальному разовому воздействию и национальные пределы могут различаться.
- Промежуточные значения AEGL (единицы ppm) (сообщены):
- 10 мин: \(100,\ 170,\ 300\) (AEGL‑1, AEGL‑2, AEGL‑3)
- 30 мин: \(100,\ 170,\ 300\)
- 60 мин: \(100,\ 130,\ 270\)
- 4 ч: НР, \(80,\ 170\)
- 8 ч: НР, \(42,\ 80\)
(НР = не рекомендуется из-за недостаточности данных.)
Краткое описание опасности: силан — чрезвычайно легковоспламеняющийся и пирофорный газ, который может самовоспламеняться на воздухе. Основные острые опасности — пожар, взрыв, химическое удушье в замкнутых пространствах и раздражение дыхательных путей. Мониторинг воздействия и инженерные меры контроля обязательны в производственных условиях.
Требования к хранению и обращению
- Хранение: хранить баллоны и технологические газовые системы в прохладных, сухих, хорошо проветриваемых помещениях, изолированных от окислителей, галогенов и оснований. Использовать огнестойкие, вентилируемые хранилища, надежно защищать от механических повреждений; газораспределительные системы должны быть заземлены для предотвращения статического разряда.
- Обращение: исключать источники зажигания в рабочих зонах; использовать взрывозащищённое электрооборудование и искробезопасные приборы. Применять закрытые системы и местную вытяжную вентиляцию при работе с силаном. Использовать газоанализаторы и автоматические блокировки для обеспечения безопасности технологического процесса. Предотвращать обратный ток и перекрестное загрязнение газовых линий.
- Средства индивидуальной защиты (СИЗ): при возможных утечках или тушении пожара применять дыхательные аппараты с избыточным давлением (СИЗОД) и полное защитное обмундирование. При рутинных операциях использовать надлежащие СИЗ для работы с газами, защиту глаз и термоизоляционные перчатки при обращении с криогенным или сжиженным силаном.
- Тушение пожаров и действия при утечках: не пытаться тушить горящий поток силина, если утечку не удается остановить; при возможности прекратить подачу и дать горящему газу полностью выгореть. Для небольших пожаров использовать сухие химические средства или CO2; при больших — водяной распыл или туман для охлаждения ёмкостей и защиты окружающих, сохраняя безопасное расстояние. Избегать направленного попадания воды на точечную утечку; распыл воды снижает концентрацию паров, но может вызвать обледенение. При значительных утечках изолировать и эвакуировать территорию по ветру.
- Утилизация и планирование чрезвычайных ситуаций: при неконтролируемых утечках эвакуировать и изолировать район; исключать доступ в замкнутые пространства, где могут накапливаться пары. Использовать специфику продукта и местные нормативы для допустимых методов утилизации и дезактивации.
Для получения подробной информации об опасностях, транспортировке и регулировании следует обращаться к паспорту безопасности продукта (SDS) и применимому местному законодательству.
