Metallprofil: Er Silicon a Metal

Silikon metall er et grått og glansende halvledende metall som brukes til å produsere stål, solceller og mikrochips.

Silisium er det nest største elementet i jordskorpen (bak bare oksygen) og det åttende mest vanlige elementet i universet. Faktisk kan nesten 30 prosent av vekten av jordskorpen tilskrives silisium.

Elementet med atomnummer 14 forekommer naturlig i silikatmineraler, inkludert silika, feldspar og glimmer, som er hovedkomponenter av vanlige bergarter som kvarts og sandstein.

En halvmetall (eller metalloid), silisium har noen egenskaper av både metaller og ikke-metaller.

Som vann - men i motsetning til de fleste metaller - silisiumkontrakter i flytende form og ekspanderer ettersom det størkner. Den har relativt høye smelte- og kokepunkter, og når det krystalliseres dannes en diamant-kubisk krystallstruktur.

Kritisk til silisiums rolle som halvleder og bruk i elektronikk er elementets atomstruktur, som inkluderer fire valenselektroner som tillater silisium å binde seg med andre elementer lett.

Egenskaper:

• Atomisk Symbol: Si
• Atomisk Nummer: 14
• Element Kategori: Metalloid
• Tetthet: 2. 329g / cm3
• Smeltepunkt: 2577 ° F (1414 ° C)
• Kokepunkt: 5909 ° C (3265 ° C)
• Mohs hardhet: 7

Historien:

Den svenske kjemikeren Jons Jacob Berzerlius krediteres med første isolerende silisium i 1823. Berzerlius oppnådde dette ved å oppvarme metallisk kalium (som bare hadde blitt isolert et tiår tidligere) i en smeltedigel langs med kaliumfluorosilikat.

Resultatet var amorft silisium.

Å lage krystallinsk silisium krever imidlertid mer tid. En elektrolytisk prøve av krystallinsk silisium ville ikke bli laget i ytterligere tre tiår.

Den første kommersialiserte bruken av silisium var i form av ferrosilisium.

Etter Henry Bessemer modernisering av stålindustrien i midten av 1800-tallet var det stor interesse for stålmetallurgi og forskning i stålteknikk.

Ved tidspunktet for den første industrielle produksjonen av ferrosilisium i 1880-årene, var betydningen av silisium for å forbedre duktiliteten i grisjern og deoksiderende stål ganske godt forstått.

Tidlig produksjon av ferrosilisium ble gjort i høyovner ved å redusere silisiumholdige malmer med trekull, noe som resulterte i silvery gris jern, et ferrosilikon med opptil 20 prosent silisiuminnhold.

Utviklingen av lysbueovner ved begynnelsen av 1900-tallet tillot ikke bare større stålproduksjon, men også mer produksjon av ferrosilisium.

I 1903 startet en gruppe som spesialiserer seg på å lage ferroalloyen (Compagnie Generate d'Electrochimie) i Tyskland, Frankrike og Østerrike, og i 1907 ble den første kommersielle silisiumfabrikken i USA grunnlagt.

Stålproduksjon var ikke den eneste applikasjonen for silisiumforbindelser som ble kommersialisert før slutten av 1800-tallet.

For å produsere kunstige diamanter i 1890 opprettholdt Edward Goodrich Acheson aluminiumsilikat med pulverisert koks og tilfeldig produsert silisiumkarbid (SiC).

Tre år senere hadde Acheson patentert sin produksjonsmetode og grunnlagt Carborundum Company (karborunden er det fellesnavnet for silisiumkarbid på den tiden) med det formål å produsere og selge slipemiddelprodukter.

Ved begynnelsen av 1900-tallet hadde også siliciumkarbidens ledende egenskaper blitt realisert, og forbindelsen ble brukt som en detektor i tidlige skipradioer. Et patent for silisiumkrystalldetektorer ble gitt til GW Pickard i 1906.

I 1907 ble den første lysdioden (LED) skapt ved å påføre spenning på en silisiumkarbidkrystall.

I løpet av 1930-tallet vokste silisiumbruk med utvikling av nye kjemiske produkter, inkludert silaner og silikoner.

Veksten i elektronikk i løpet av det siste århundre har også vært uløselig knyttet til silisium og dets unike egenskaper.

Mens etableringen av de første transistorene - forløperne til moderne mikrochips - i 1940-årene var avhengig av germanium, var det ikke lenge før silisium erstattet metalloidfetteren som et mer holdbart substrat-halvledermateriale.

Bell Labs og Texas Instruments begynte kommersielt å produsere silisiumbaserte transistorer i 1954.

De første silisiumintegrerte kretsene ble produsert på 1960-tallet og på 1970-tallet ble silikonholdige prosessorer blitt utviklet.

Gitt at silisiumbasert halvlederteknologi danner ryggraden i moderne elektronikk og databehandling, bør det ikke være overraskende at vi refererer til aktivitetsnavnet for denne bransjen som Silicon Valley. '

(For et detaljert blikk på historien og utviklingen av Silicon Valley og microchip teknologi, anbefaler jeg sterkt American Experience-dokumentaren Silicon Valley).

Ikke lenge etter at de første transistorene ble avslørt, førte Bell Labs arbeid med silisium til et annet stort gjennombrudd i 1954: Den første silisiumfotovoltaiske (solcelle) cellen.

For det første trodde tanken på å utnytte energi fra solen til å skape makt på jorden, umulig mesteparten. Men bare fire år senere, i 1958, var den første satellitten drevet av silisium solceller rundt jorden.

Ved 1970-tallet hadde kommersielle bruksområder for solenergi teknologier vokst til jordbaserte applikasjoner som drivbelysning på offshore oljerigger og jernbaneoverganger.

I løpet av de siste to tiårene har bruken av solenergi vokst eksponentielt. I dag står silisiumbaserte fotovoltaiske teknologier for rundt 90 prosent av det globale solenergimarkedet.

Produksjon:

Flertallet av silisium raffinert hvert år - ca 80 prosent - produseres som ferrosilisium til bruk i jern- og stålproduksjon. Ferrosilisium kan inneholde alt mellom 15 og 90 prosent silisium, avhengig av smelteverkets krav.

Legeringen av jern og silisium produseres ved hjelp av en nedsenket lysbueovn ved reduksjonsmeltning. Kiselrik malm og en karbonkilde som kokkull (metallurgisk kull) knuses og lastes inn i ovnen sammen med skrapjern.

Ved temperaturer over 1900

° C (3450 ° F) reagerer karbon med oksygen som er tilstede i malmen, og danner karbonmonoksidgass. Det gjenværende jern og silisium, i mellomtiden, kombineres for å lage smeltet ferrosilisium, som kan samles ved å trykke på ovnsbunnen. Etter avkjøling og herding kan ferrosilisiumet sendes og brukes direkte i produksjon av jern og stål.

Den samme metoden, uten å inkludere jern, brukes til å produsere silikon av metallurgisk kvalitet som er større enn 99 prosent rent. Metallurgisk silisium brukes også i stålsmelting, samt fremstilling av aluminiumgjennomtrengninger og silankjemikalier.

Metallurgisk silisium er klassifisert av forurensningsnivåer av jern, aluminium og kalsium tilstede i legeringen. For eksempel inneholder 553 silisiummetall mindre enn 0. 5 prosent av hvert jern og aluminium og mindre enn 0,3 prosent kalsium.

Omtrent 8 millioner metriske tonn ferrosilisium produseres hvert år globalt, og Kina står for rundt 70 prosent av dette. Store produsenter inkluderer Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials og Elkem.

En ekstra 2. 6 millioner metriske tonn metallurgisk silisium - eller ca 20 prosent av totalt raffinert silisiummetall - produseres årlig. Kina står igjen for rundt 80 prosent av denne produksjonen.

En overraskelse for mange er at sol og elektronikkkarakteristikker av silisium står for bare en liten mengde (mindre enn to prosent) av all raffinert silisiumproduksjon.

For å oppgradere til silisiumholdig silisiummetall (polysilikon), må renheten øke til 99. 9999% (6N) rent silisium. Dette gjøres via en av tre metoder, den vanligste er Siemens-prosessen.

Siemens-prosessen innebærer kjemisk dampavsetning av en flyktig gass kjent som triklorosilan. Ved 1150

° C (2102 ° F) er triklorosilan blåst over et silisiumfrø av høy renhet montert på enden av en stang. Når den passerer over, blir silisium med høy renhet avsatt på frøet. Fluid bed reactor (FBR) og oppgradert metallurgisk grade (UMG) silisiumteknologi brukes også til å forbedre metallet til polysilisium egnet for fotovoltaisk industri.

230 000 tonn polysilikon ble produsert i 2013. Ledende produsenter inkluderer GCL Poly, Wacker-Chemie og OCI.

For å lage elektronikk grade silisium egnet for halvlederindustrien og visse fotovoltaiske teknologier, må polysilikonet omdannes til et ultra-rent monokrystalsilisium via Czochralski-prosessen.

For å gjøre dette smelter polysilikonet i en smeltedigel ved 1425

° C (2597 ° F) i en inert atmosfære. En stangmontert frøkrystall blir deretter dyppet i smeltet metall og langsomt rotert og fjernet, hvilket gir tid for silisiumet å vokse på frømaterialet. Det resulterende produktet er en stang (eller boule) av enkeltkrystall silisiummetall som kan være så høyt som 99. 999999999 (11N) prosent rent. Denne stangen kan dopes med bor eller fosfor som påkrevd for å justere de kvantemekaniske egenskapene etter behov. Monokrystalstangen kan sendes til klienter som det er, eller skiver inn i wafer og polert eller teksturert for bestemte brukere.

Anvendelser:

Mens omtrent ti millioner metriske tonn ferrosilisium og silisiummetall blir raffinert hvert år, er det fleste silisium som brukes kommersielt, faktisk i form av silisiummineraler som brukes til fremstilling av alt fra sement, mørtel og keramikk, til glass og polymerer.

Ferrosilisium, som nevnt, er den vanligste form for metallisk silisium. Siden første bruk for rundt 150 år siden har ferrosilisium vært et viktig deoksideringsmiddel i produksjonen av karbon og rustfritt stål. I dag er stålsmeltingen fortsatt den største forbrukeren av ferrosilisium.

Ferrosilikon har imidlertid en rekke bruksområder utover stålproduksjon. Det er en pre-legering i produksjonen av magnesium ferrosilisium, en nodulizer brukt til å produsere duktilt jern, samt under Pidgeon prosessen for raffinering av høy renhet magnesium.

Ferrosilisium kan også brukes til å lage varme- og korrosjonsbestandige jernholdige silisiumlegeringer samt silisiumstål, som brukes til fremstilling av elektromotorer og transformatorkjerner.

Metallurgisk silisium kan brukes i stålproduksjon, samt et legeringsmiddel i aluminiumstøping. Bil-deler av aluminium-silisium (Al-Si) er lette og sterkere enn komponenter laget av ren aluminium. Bil-deler som motorblokker og dekkfelger er noen av de vanligste støpte aluminiums silikondelene.

Nesten halvparten av alt metallurgisk silisium brukes av kjemisk industri til å lage fumed silica (et fortykkelsesmiddel og tørkemiddel), silaner (et koblingsmiddel) og silikon (tetningsmidler, klebemidler og smøremidler).

Polysilisium med fotovoltaisk kvalitet brukes primært til fremstilling av polysilisium solceller. Om lag fem tonn polysilikon er nødvendig for å lage en megawatt solmoduler.

For tiden står polysilisium-solteknologi for mer enn halvparten av solenergi produsert globalt, mens monosilikonteknologi bidrar med omtrent 35 prosent. I alt er 90 prosent av solenergien brukt av mennesker samlet av silisiumbasert teknologi.

Monokrystal silisium er også et kritisk halvledermateriale som finnes i moderne elektronikk. Som substratmateriale som brukes i produksjon av felt effekt transistorer (FET), LED og integrerte kretser, kan silisium finnes i nesten alle datamaskiner, mobiltelefoner, tabletter, fjernsyn, radioer og andre moderne kommunikasjonsenheter.

Det er anslått at mer enn en tredjedel av alle elektroniske enheter inneholder silisiumbasert halvlederteknologi.

Endelig brukes det hardlegerende silisiumkarbidet i en rekke elektroniske og ikke-elektroniske applikasjoner, inkludert syntetiske smykker, høytemperatur halvledere, hard keramikk, skjæreverktøy, bremseskiver, slipemidler, kuletette vester og varmeelementer.

Kilder:

En kort historie om Steel Legering og Ferrolegering Produksjon.

URL: // www. URM-selskap. com / images / docs / stål-legering-historie. pdf

Holappa, Lauri og Seppo Louhenkilpi.
På Rollen av Ferroalloys i Steelmaking.
9-13 juni 2013. Den trettende internasjonale Ferroalloys-kongressen. URL: // www. pyrometallurgi. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

Følg Terence på Google+