O privire la siliconul semimetal
Silicon metal este un metal semi-conductiv gri și lucios care este utilizat pentru a produce oțel, celule solare și microcipuri.
Siliconul este cel de-al doilea element cel mai abundent din scoarța pământului (în spatele oxigenului) și al optulea element cel mai comun în univers. De fapt, aproape 30% din greutatea crustei pământului poate fi atribuită siliciului.
Elementul cu numărul atomic 14 apare în mod natural în mineralele silicatice, inclusiv silicele, feldspatul și mica, care sunt componente majore ale rocilor obișnuite, cum ar fi cuarțul și gresia.
Un siliciu semi-metalic (sau metaloid ) are câteva proprietăți atât din metale, cât și nemetale.
Ca și apa - dar spre deosebire de majoritatea metalelor - siliciul contractează în stare lichidă și se extinde pe măsură ce se solidifică. Are puncte de topire și puncte de fierbere relativ ridicate, iar când cristalizează formează o structură de cristal cubic diamantată.
Critica rolului siliciului ca semiconductor și utilizarea sa în electronică este structura atomică a elementului, care include patru electroni de valență care permit siliciului să se leagă cu alte elemente cu ușurință.
Proprietăți:
- Simbol Atomic: Si
- Număr atomic: 14
- Element Categorie: Metalloid
- Densitate: 2.329g / cm3
- Punct de topire: 2577 ° F (1414 ° C)
- Punct de fierbere: 5909 ° F (3265 ° C)
- Duritatea lui Moh: 7
Istorie:
Chimistul suedez Jons Jacob Berzerlius este creditat cu primul silicon izolator în 1823. Berzerlius a realizat acest lucru prin încălzirea potasiului metalic (care a fost izolat doar cu un deceniu mai devreme) într-un creuzet împreună cu fluorosilicat de potasiu.
Rezultatul a fost siliciul amorf.
Efectuarea de siliciu cristalin, totuși, a necesitat mai mult timp. O probă electrolitică de siliciu cristalin nu ar fi făcută încă trei decenii.
Prima utilizare comercializată a siliciului a fost sub formă de ferosiliciu.
După modernizarea lui Henry Bessemer a industriei oțelului la mijlocul secolului al XIX-lea, a existat un mare interes în metalurgia oțelului și în cercetarea în tehnicile de fabricare a oțelului.
Până la prima producție industrială de ferosiliciu în anii 1880, importanța siliciului în îmbunătățirea ductilității în fontă și oțel deoxidant a fost destul de bine înțeleasă.
Producția timpurie de ferosiliciu a fost făcută în furnale prin reducerea minereurilor care conțin siliciu cu cărbune, ceea ce a dus la un fontă argintiu, un ferosiliciu cu un conținut de siliciu de până la 20%.
Dezvoltarea cuptoarelor cu arc electric la începutul secolului al XX-lea a permis nu numai o producție mai mare de oțel , ci și o producție mai mare de ferosiliciu.
În 1903, un grup specializat în fabricarea feroaliajului (Compagnie Generate d'Electrochimie) a început operațiunile în Germania, Franța și Austria și, în 1907, a fost fondată prima fabrică de siliciu comercial din SUA.
Oțelul nu a fost singura aplicație pentru compușii de siliciu comercializați înainte de sfârșitul secolului al XIX-lea.
Pentru a produce diamante artificiale în 1890, Edward Goodrich Acheson a încălzit silicatul de aluminiu cu cocs pulbere și carbură de siliciu produsă accidental (SiC).
Trei ani mai târziu, Acheson și-a brevetat metoda de producție și a înființat compania Carborundum (carborundum fiind denumirea comună a carburii de siliciu la momentul respectiv) în scopul fabricării și vânzării de produse abrazive.
Până la începutul secolului XX, proprietățile conductive ale carburii de siliciu au fost de asemenea realizate, iar compusul a fost folosit ca detector în radiourile timpurii ale navelor. Un brevet pentru detectorii cu cristale de siliciu a fost acordat lui GW Pickard în 1906.
În 1907, prima diodă emitatoare de lumină (LED) a fost creată prin aplicarea tensiunii pe un cristal de carbură de siliciu.
Prin folosirea siliciului din anii 1930 a crescut cu dezvoltarea de noi produse chimice, inclusiv silanele și siliconii.
Creșterea electronicii în ultimul secol a fost, de asemenea, legată în mod inextricabil de siliciul și proprietățile sale unice.
În timp ce crearea primelor tranzistoare - precursorii microcipurilor moderne - în anii 1940 sa bazat pe germaniu , nu cu mult timp înainte ca siliciul să-și suplimenteze vărul metaloid ca un material semiconductor substrat mai durabil.
Bell Labs și Texas Instruments au început să comercializeze în 1954 tranzistoare pe bază de siliciu.
Primele circuite integrate cu siliciu au fost fabricate în anii 1960 și, până în anii 1970, au fost dezvoltate procesoare cu conținut de siliciu.
Având în vedere că tehnologia semiconductorilor pe bază de siliciu formează coloana vertebrală a electronicii moderne și a computerelor, nu ar trebui să ne surprindă faptul că ne referim la centrul de activitate pentru această industrie ca "Silicon Valley".
(Pentru o privire detaliată asupra istoriei și dezvoltării tehnologiei Silicon Valley și microcipului, recomand foarte mult documentația American Experience intitulată Silicon Valley).
Nu după mult timp după dezvăluirea primelor tranzistoare, lucrarea Bell Labs cu siliciu a condus la un al doilea progres major în 1954: prima celulă fotovoltaică (solară) de siliciu.
Înainte de aceasta, gândul de a folosi energia de la soare pentru a crea putere pe pământ a fost considerat imposibil de majoritatea. Dar, doar patru ani mai târziu, în 1958, primul satelit alimentat cu celule solare de siliciu orbitează pământul.
Până în anii 1970, aplicațiile comerciale pentru tehnologiile solare au crescut până la aplicații terestre, cum ar fi alimentarea cu iluminare a instalațiilor petroliere offshore și trecerile pe calea ferată.
În ultimele două decenii, utilizarea energiei solare a crescut exponențial. Astăzi, tehnologiile fotovoltaice pe bază de siliciu reprezintă aproximativ 90% din piața globală a energiei solare.
Producție:
Majoritatea siliconului rafinat în fiecare an - aproximativ 80% - este produs ca ferosiliciu pentru utilizarea în industria fierului și oțelului . Ferosiliciul poate conține oriunde între 15 și 90 procente siliciu, în funcție de cerințele topitoriei.
Aliajul de fier și siliciu este produs folosind un cuptor cu arc electric submersat prin reducerea topirii. Mijloacele bogate în silice și o sursă de carbon, cum ar fi cărbunele de cocsificare (cărbune metalurgic), sunt zdrobite și încărcate în cuptor, împreună cu fier vechi.
La temperaturi de peste 1900 ° C (3450 ° F), carbonul reacționează cu oxigenul prezent în minereu, formând gaz de monoxid de carbon. Restul de fier și siliciu, între timp, se combină pentru a face ferosiliciu topit, care poate fi colectat prin atingerea bazei cuptorului.
Odată răcit și întărit, ferosiliciul poate fi transportat și utilizat direct în fabricarea fierului și a oțelului.
Aceeași metodă, fără includerea fierului, este utilizată pentru a produce siliciu metalurgic cu o puritate mai mare de 99%. Siliciul metalurgic este de asemenea utilizat la topirea oțelului, precum și la fabricarea aliajelor turnate din aluminiu și a produselor chimice din silan.
Siliciul metalurgic este clasificat prin nivelurile de impurități de fier, aluminiu și calciu prezente în aliaj. De exemplu, metalul silicios 553 conține mai puțin de 0,5 procente din fiecare fier și aluminiu și mai puțin de 0,3 procente de calciu.
Aproximativ 8 milioane de tone metrice de ferosiliciu sunt produse în fiecare an la nivel global, China reprezentând aproximativ 70% din acest total. Producatorii mari includ Grupul Metalurgic Erdos, Ferroalloy Ningxia Rongsheng, Grupul OM Materiale și Elkem.
O cantitate suplimentară de 2,6 milioane de tone metrice de siliciu metalurgic - sau aproximativ 20% din totalul siliciului metalic rafinat - este produsă anual. China, din nou, reprezintă aproximativ 80% din această producție.
O surpriză pentru mulți este că gradele solare și electronice de siliciu reprezintă doar o mică cantitate (mai puțin de două procente) din toată producția de siliciu rafinat.
Pentru a face upgrade la siliciu de metal de siliciu (polisiliciu), puritatea trebuie să crească până la 99,9999% (6N) siliciu pur. Aceasta se face printr-una din cele trei metode, cel mai frecvent fiind procesul Siemens.
Procesul Siemens implică depunerea chimică în vapori a unui gaz volatil cunoscut sub numele de triclorosilan. La 1150 ° C (2102 ° F), triclorsilanul este suflat peste o sămânță de siliciu de înaltă puritate montată la capătul unei tije. Pe măsură ce trece, siliciul de înaltă puritate din gaz este depozitat pe sămânță.
Reactorul cu pat fluidizat (FBR) și tehnologia de siliciu modernizat metalurgic (UMG) sunt de asemenea utilizate pentru a spori polimerul metalic la polisiliciu adecvat pentru industria fotovoltaică.
230.000 de tone metrice de polisiliciu au fost produse în 2013. Producătorii principali includ GCL Poly, Wacker-Chemie și OCI.
În cele din urmă, pentru a realiza siliciu de electronică adecvat pentru industria semiconductorilor și pentru anumite tehnologii fotovoltaice, polisiliciul trebuie transformat într-un silicon monocristal ultra-pur prin intermediul procesului Czochralski.
Pentru a face acest lucru, polisiliciul este topit într-un creuzet la 1425 ° C (2597 ° F) într-o atmosferă inertă. Un cristal de semințe montat pe tijă este apoi înmuiat în metalul topit și rotit încet și îndepărtat, dând timp pentru siliciu să crească pe materialul de semințe.
Produsul rezultat este o tijă (sau bule) de metal de siliciu monocristal care poate fi la fel de mare ca 99,999999999 (11N) procente pure. Această tijă poate fi dopată cu bor sau fosfor, după cum este necesar pentru a optimiza proprietățile mecanice cuantice, după cum este necesar.
Tija monocristal poate fi livrată către clienți ca atare sau tăiată în napolitane și lustruită sau texturate pentru anumiți utilizatori.
Aplicații:
În timp ce aproximativ zece milioane de tone metrice de ferosiliciu și siliciu metalic sunt rafinate în fiecare an, majoritatea siliciului utilizat în comerț este de fapt sub formă de minerale de siliciu, care sunt utilizate la fabricarea a tot ce se face din ciment, mortare și ceramică, polimeri.
Ferosiliciul, după cum se observă, este cea mai frecvent utilizată formă de siliciu metalic. De la prima utilizare de acum 150 de ani, ferosiliciul a rămas un important agent de dezoxidare în producția de carbon și oțel inoxidabil . Astăzi, topirea oțelului rămâne cel mai mare consumator de ferosiliciu.
Ferosiliciul are o serie de utilizări dincolo de fabricarea oțelului. Este un pre-aliaj în producerea de ferosiliciu de magneziu , un nodulizator utilizat pentru a produce fier ductil, precum și în timpul procesului Pidgeon pentru rafinarea magnezilor de înaltă puritate.
Ferosiliciul poate fi, de asemenea, utilizat pentru a produce aliaje de siliciu feros rezistent la căldură și la coroziune , precum și oțel siliconic, utilizat în fabricarea electromotoarelor și a miezurilor de transformare.
Siliconul metalurgic poate fi utilizat în fabricarea oțelului, precum și un agent de aliere în turnarea în aluminiu. Piesele de mașină din aluminiu-siliciu (Al-Si) sunt ușoare și mai puternice decât componentele turnate din aluminiu pur. Componentele auto, cum ar fi blocurile de motor și jantele de anvelope, sunt unele dintre cele mai frecvent distribuite piese de siliciu din aluminiu.
Aproape jumătate din întregul siliciu metalurgic este utilizat de industria chimică pentru a face siliciu fumat (agent de îngroșare și agent de deshidratare), silani (un agent de cuplare) și silicon (agenți de etanșare, adezivi și lubrifianți).
Polisilicul fotovoltaic de calitate este utilizat în primul rând în fabricarea celulelor solare polisiliconice. Aproximativ cinci tone de polisiliciu sunt necesare pentru a face un megawatt de module solare.
În prezent, tehnologia solară polisilicon reprezintă mai mult de jumătate din energia solară produsă la nivel mondial, în timp ce tehnologia monosilicon contribuie cu aproximativ 35%. În total, 90% din energia solară folosită de oameni este colectată prin tehnologia bazată pe siliciu.
Siliconul monocristal este, de asemenea, un material semiconductor critic găsit în electronica modernă. Ca material substrat utilizat în producția de tranzistoare cu efect de câmp (FET), LED-uri și circuite integrate, siliciul poate fi găsit în aproape toate computerele, telefoanele mobile, tabletele, televizoarele, radiourile și alte dispozitive moderne de comunicații.
Se estimează că mai mult de o treime din toate dispozitivele electronice conțin tehnologia semiconductorilor pe bază de siliciu.
În sfârșit, carbură de siliciu din aliaj dur este utilizată într-o varietate de aplicații electronice și non-electronice, inclusiv bijuterii sintetice, semiconductori cu temperatură ridicată, ceramică tare, unelte de tăiere, discuri de frână, abrazive, veste antiglonț și elemente de încălzire.
surse:
O scurtă istorie a aliajelor de oțel și a producției de feroaliaje.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri și Seppo Louhenkilpi.
Cu privire la rolul feroaliajelor în industria oțelului. 9-13 iunie 2013. Al treisprezecelea Congres internațional al feroaliajelor. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Urmați pe Terence pe Google+