Et kig på halvmetall silicium
Siliciummetal er et gråt og lustøst halvledende metal, der bruges til fremstilling af stål, solceller og mikrochips.
Silicon er det næststørste element i jordskorpen (bag kun ilt) og det ottende mest almindelige element i universet. Faktisk kan næsten 30 procent af jordens jordskorpes vægt henføres til silicium.
Elementet med atomnummer 14 forekommer naturligt i silicatmineraler, herunder silica, feldspar og glimmer, som er hovedbestanddele af almindelige klipper som kvarts og sandsten.
Et halvmetal (eller metalloid ), silicium besidder nogle egenskaber af både metaller og ikke-metaller.
Ligesom vand - men i modsætning til de fleste metaller - kiselkontrakter i flydende tilstand og udvider som det størkner. Det har relativt høje smelte- og kogepunkter, og når det krystalliseres dannes en diamantkubisk krystalstruktur.
Kritisk for siliciums rolle som halvleder og dens anvendelse i elektronik er elementets atomstruktur, som omfatter fire valenceelektroner, der gør det muligt for silicium at binde med andre elementer let.
Ejendomme:
- Atomisk symbol: Si
- Atomisk nummer: 14
- Element Kategori: Metalloid
- Tæthed: 2.329g / cm3
- Smeltepunkt: 2577 ° F (1414 ° C)
- Kogepunkt: 5909 ° F (3265 ° C)
- Mohs hårdhed: 7
Historie:
Den svenske kemiker Jons Jacob Berzerlius krediteres med første isolerende silicium i 1823. Berzerlius opnåede dette ved at opvarme metallisk kalium (som kun var blevet isoleret et årti tidligere) i en smeltedigel sammen med kaliumfluorosilikat.
Resultatet var amorf silicium.
At gøre krystallinsk silicium krævede imidlertid mere tid. En elektrolytisk prøve af krystallinsk silicium ville ikke blive lavet i yderligere tre årtier.
Den første kommercialiserede anvendelse af silicium var i form af ferrosilicium.
Efter Henry Bessemer modernisering af stålindustrien i midten af 1800-tallet var der stor interesse for stålmetallurgi og forskning i stålteknik.
På tidspunktet for den første industrielle produktion af ferrosilicium i 1880'erne blev betydningen af silicium ved forbedring af duktiliteten i grisjern og deoxiderende stål ret velkendt.
Tidlig produktion af ferrosilicium blev lavet i højovne ved at reducere siliciumholdige malme med trækul, hvilket resulterede i sølvholdigt råjern, et ferrosilicium med op til 20 procent siliciumindhold.
Udviklingen af lysbueovne i begyndelsen af det 20. århundrede tillod ikke kun større stålproduktion , men også mere ferrosiliciumproduktion.
I 1903 blev en gruppe med speciale i fremstilling af ferrolegeringen (Compagnie Generate d'Electrochimie) påbegyndt i Tyskland, Frankrig og Østrig, og i 1907 blev den første kommercielle siliciumfabrik i USA grundlagt.
Stålfabrikation var ikke den eneste ansøgning om siliciumforbindelser, der var kommerciel inden slutningen af 1800-tallet.
Til fremstilling af kunstige diamanter i 1890 opvarmede Edward Goodrich Acheson aluminiumsilicat med pulveriseret koks og tilfældigt produceret siliciumcarbid (SiC).
Tre år senere havde Acheson patenteret sin produktionsmetode og grundlagt Carborundum Company (Carborundum er det fælles navn for siliciumcarbid på det tidspunkt) med det formål at lave og sælge slibemidler.
Ved begyndelsen af det 20. århundrede var siliciumcarbidets ledende egenskaber også blevet realiseret, og forbindelsen blev anvendt som detektor i tidlige skibsradioer. Et patent på siliciumkrystal detektorer blev givet til GW Pickard i 1906.
I 1907 blev den første lysdiode (LED) skabt ved at anvende spænding på en siliciumcarbidkrystal.
Gennem 1930'erne voksede siliciumbruget med udviklingen af nye kemiske produkter, herunder silaner og siliconer.
Væksten i elektronikken i løbet af det sidste århundrede har også været uløseligt forbundet med silicium og dets unikke egenskaber.
Mens oprettelsen af de første transistorer - forløberne til moderne mikrochips - i 1940'erne var afhængige af germanium , var det ikke længe før silicium erstattede sin metalloid fætter som et mere holdbart substrat halvledermateriale.
Bell Labs og Texas Instruments begyndte kommercielt at producere siliciumbaserede transistorer i 1954.
De første siliciumintegrerede kredsløb blev fremstillet i 1960'erne, og i 1970'erne var siliciumholdige processorer blevet udviklet.
I betragtning af at siliciumbaseret halvlederteknologi danner rygraden i moderne elektronik og computing, bør det ikke være nogen overraskelse, at vi henviser til aktivitetscentret for denne industri som "Silicon Valley."
(For et detaljeret kig på historien og udviklingen af Silicon Valley og microchip teknologi, anbefaler jeg stærkt American Experience-dokumentarfilmen med titlen Silicon Valley).
Ikke længe efter at de første transistorer blev afsløret, lever Bell Labs 'arbejde med silicium til et andet stort gennembrud i 1954: Den første silicium-solceller (solcelle).
Før dette blev tanken om at udnytte energi fra solen til at skabe magt på jorden, trods det umulige umuligt. Men først fire år senere, i 1958, slog den første satellit drevet af silicium solceller rundt jorden.
Ved 1970'erne var kommercielle anvendelser for solteknologier vokset til jordbaserede applikationer som f.eks. Belysning på offshore olierigger og jernbaneovergange.
I løbet af de sidste to årtier er brugen af solenergi vokset eksponentielt. I dag tegner siliciumbaserede fotovoltaiske teknologier sig for omkring 90 procent af det globale solenergimarked.
Produktion:
Størstedelen af silicium raffineret hvert år - ca. 80 procent - fremstilles som ferrosilicium til brug i jern- og stålproduktion . Ferrosilicium kan indeholde alt mellem 15 og 90 procent silicium afhængigt af smeltekravets krav.
Legeringen af jern og silicium fremstilles ved hjælp af en nedsænket lysbueovn ved reduktionsmeltning. Kiselholdig malm og en kulstofkilde såsom kokskul (metallurgisk kul) knuses og lægges i ovnen sammen med skrot.
Ved temperaturer over 1900 ° C (3450 ° F) reagerer carbon med det ilt, der er til stede i malmen, og danner carbonmonoxidgas. Det resterende jern og silicium, i mellemtiden, kombineres derefter til smeltet ferrosilicium, som kan opsamles ved at trykke på ovnens bund.
Efter afkøling og hærdet kan ferrosilicium derefter afsendes og anvendes direkte i fremstilling af jern og stål.
Den samme metode, uden inklusion af jern, bruges til at producere silicium af metallurgisk kvalitet, der er mere end 99 procent rent. Metallurgisk silicium anvendes også i stålsmeltning samt fremstilling af aluminiumstøbte legeringer og silankemikalier.
Metallurgisk silicium er klassificeret af urenhederne af jern, aluminium og calcium i legeringen. For eksempel indeholder 553 siliciummetal mindre end 0,5 procent af hvert jern og aluminium og mindre end 0,3 procent calcium.
Ca. 8 millioner tons ferrosilicium produceres hvert år globalt, hvor Kina tegner sig for ca. 70 procent af denne samlede mængde. Store producenter omfatter Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials og Elkem.
Yderligere 2,6 millioner metriske tons metallurgisk silicium - eller ca. 20 procent af totalt raffineret siliciummetal - produceres årligt. Kina tegner sig igen for omkring 80 procent af denne produktion.
En overraskelse for mange er, at sol og elektroniske kvaliteter af silicium tegner sig for en lille mængde (mindre end to procent) af alle raffinerede siliciumproduktioner.
For at opgradere til solcelle siliciummetal (polysilicium) skal renheden stige til op til 99,9999% (6N) rent silicium. Dette sker via en af tre metoder, den mest almindelige er Siemens-processen.
Siemens-processen indebærer kemisk dampaflejring af en flygtig gas kendt som trichlorsilan. Ved 1150 ° C (2102 ° F) blæser triklorosilan over et siliciumfrø med høj renhed monteret i en stangs ende. Når det passerer over, aflejres høj renhed silicium fra gassen på frøet.
Fluid bed reactor (FBR) og opgraderet metallurgisk kvalitet (UMG) siliciumteknologi bruges også til at forbedre metallet til polysilicium egnet til den solcelleindustri.
230.000 tons polysilicium blev produceret i 2013. Ledende producenter omfatter GCL Poly, Wacker-Chemie og OCI.
Endelig skal polysilicium omdannes til et ultra-rent monokrystal silicium via Czochralski-processen for at gøre elektronik grade silicium egnet til halvlederindustrien og visse fotovoltaiske teknologier.
For at gøre dette smelter polysilicinet i en smeltedigel ved 1425 ° C (2597 ° F) i en inert atmosfære. En stangmonteret frøkrystal dyppes derefter i det smeltede metal og roteres langsomt og fjernes, hvilket giver tid til, at siliciumet vokser på frømaterialet.
Det resulterende produkt er en stang (eller boule) af enkeltkrystal silicium metal, der kan være så højt som 99,999999999 (11N) procent rent. Denne stang kan dopes med bor eller phosphor som krævet for at tilpasse de kvantemekaniske egenskaber efter behov.
Monokrystalstangen kan leveres som klient eller skiver i wafer og poleret eller tekstureret til bestemte brugere.
Applikationer:
Mens ca. ti millioner metriske tons ferrosilicium og siliciummetal raffineres hvert år, er størstedelen af silicium, der anvendes kommercielt, faktisk i form af siliciummineraler, som anvendes til fremstilling af alt fra cement, mørtel og keramik til glas og polymerer.
Ferrosilicium er som nævnt den mest almindeligt anvendte form for metallisk silicium. Siden sin første brug for omkring 150 år siden har ferrosilicium forblevet et vigtigt deoxideringsmiddel i produktionen af kulstof og rustfrit stål . I dag er stålsmeltning den største forbruger af ferrosilicium.
Ferrosilicium har dog en række anvendelser ud over stålproduktion. Det er en præ-legering i produktionen af magnesium ferrosilicium, en nodulizer bruges til fremstilling af duktilt jern, samt under Pidgeon processen til raffinering af høj renhed magnesium.
Ferrosilicium kan også bruges til fremstilling af varme- og korrosionsbestandige jernholdige siliciumlegeringer samt siliciumstål, der anvendes til fremstilling af elektromotorer og transformatorkerner.
Metallurgisk silicium kan anvendes til stålfremstilling såvel som et legeringsmiddel i aluminiumstøbning. Aluminium-silicium (Al-Si) bildele er lette og stærkere end komponenter støbt af rent aluminium. Automotive dele som motorblokke og dækfælge er nogle af de mest solide aluminiums siliciumdele.
Næsten halvdelen af alt metallurgisk silicium anvendes af den kemiske industri til fremstilling af fumed silica (et fortykkelsesmiddel og tørremiddel), silaner (et koblingsmiddel) og silikone (tætningsmidler, klæbemidler og smøremidler).
Photovoltaic grade polysilicium bruges primært til fremstilling af polysilicium solceller. Omkring fem tons polysilicium er nødvendig for at lave en megawatt solmoduler.
I øjeblikket tegner polysiliciumsolteknologi sig for mere end halvdelen af solenergi produceret globalt, mens monosiliciumteknologi bidrager med ca. 35 procent. I alt opsamles 90 procent af solenergien, der anvendes af mennesker, af siliciumbaseret teknologi.
Monokrystal silicium er også et kritisk halvledermateriale, der findes i moderne elektronik. Som substratmateriale, der anvendes til produktion af felt effekt transistorer, LED'er og integrerede kredsløb, kan silicium findes i stort set alle computere, mobiltelefoner, tabletter, fjernsyn, radioer og andre moderne kommunikationsenheder.
Det anslås, at mere end en tredjedel af alle elektroniske enheder indeholder siliciumbaseret halvlederteknologi.
Endelig anvendes det hårde legerings siliciumcarbid i en række elektroniske og ikke-elektroniske applikationer, herunder syntetiske smykker, halvleder med høj temperatur, hård keramik, skæreværktøjer, bremseskiver, slibemidler, skudtætte veste og varmeelementer.
Kilder:
En kort historie om stållegering og ferroalloyproduktion.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri og Seppo Louhenkilpi.
På Rollen af Ferroalloys i Steelmaking. 9-13 juni 2013. Den trettende internationale ferroalloys-kongres. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Følg Terence på Google+