Pogled polimernog silicija
Silicijski metal je sivi i sjajni poluvodljivi metal koji se koristi za proizvodnju čelika, solarnih ćelija i mikročipova.
Silicij je drugi najbrojniji element u zemljinoj koru (iza samo kisika) i osmi najčešći element u svemiru. Zapravo, gotovo 30 posto težine zemljine kore može se pripisati siliciju.
Element s atomskim brojem 14 prirodno se javlja u silikatnim mineralima, uključujući silicijev dioksid, feldspat i kišu, koji su glavni sastojci uobičajenih stijena kao što su kvarc i pješčenjak.
Polometal (ili metaloid ), silikon posjeduje neka svojstva oba metala i nekmetala.
Poput vode - ali za razliku od većine metala - silicijski ugovori u tekućem stanju i širi se dok se stvrdnjava. Ima relativno visoki stupanj topljenja i vrelišta, a kada kristalizira, formira se dijamantna kubična kristalna struktura.
Ključno za silicijsku ulogu kao poluvodiča i njegovu upotrebu u elektronici je atomska struktura elementa, koja uključuje četiri valentna elektrona koji omogućuju siliciju da se lako povezuje s drugim elementima.
Nekretnine:
- Atomski simbol: Si
- Atomski broj: 14
- Kategorija elemenata: Metalloid
- Gustoća: 2.329 g / cm3
- Talište: 2577 ° F (1414 ° C)
- Točka vrenja: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moh's tvrdoća: 7
Povijest:
Švedski kemičar Jons Jacob Berzerlius pripisuje se prvim izolacijskim silicijem 1823. godine. Berzerlius to je postigao zagrijavanjem metalnog kalijuma (koji je bio izoliran još desetljeće ranije) u lončiću zajedno s kalijevim fluorosilikatom.
Rezultat je bio amorfni silikon.
Stvaranje kristalnog silicija, međutim, zahtijevalo je više vremena. Elektrolitički uzorak kristalnog silicija ne bi nastao još tri desetljeća.
Prva komercijalizirana upotreba silicija bila je u obliku ferosilikona.
Nakon Henry Bessemerove modernizacije industrije proizvodnje čelika sredinom 19. stoljeća, bio je velik interes za metalurgiju čelika i istraživanje u tehnikama proizvodnje čelika.
Do doba prve industrijske proizvodnje ferosilicona u 1880-ima, važnost silicija u poboljšanju duktilnosti u sirovom željezo i deoksidizirajućem čeliku bila je prilično dobro poznata.
Rana proizvodnja ferosilicona izvršena je u eksplozivnim pećima smanjenjem rudača koje sadrže silicij s ugljenom, što je rezultiralo srebrnim sirovim željezom, ferosilikonom sa do 20 posto silicijskog sadržaja.
Razvoj električnih peći na početku 20. stoljeća omogućio je ne samo veću proizvodnju čelika već i veću proizvodnju ferrosilikata.
Godine 1903. osnovana je grupa specijalizirana za izradu ferolegura (Compagnie Generate d'Electrochimie) u Njemačkoj, Francuskoj i Austriji, a 1907. godine osnovana je prva komercijalna silicijska postrojenja u SAD-u.
Steelmaking nije bio jedini zahtjev za komercijalizaciju silicijskih spojeva prije kraja 19. stoljeća.
Za izradu umjetnih dijamanata 1890. godine, Edward Goodrich Acheson grijao je aluminij silikat s praškastim koksom i usput proizveo silikonski karbid (SiC).
Tri godine kasnije Acheson je patentirao svoju metodu proizvodnje i osnovao Carborundum Company (carborundum je uobičajeni naziv za silicij karbid u to vrijeme) radi proizvodnje i prodaje abrazivnih proizvoda.
Do početka 20. stoljeća, također su realizirana i vodljiva svojstva silikonskog karbida, a spoj je upotrijebljen kao detektor u ranim radio-emisijama. Patent za detektore silikonskog kristala odobren je GW Pickardu 1906. godine.
Godine 1907, stvorena je prva svjetleća dioda (LED) primjenom napona na kristal silicijevog karbida.
Tijekom tridesetih godina korištenja silicija rastu razvojem novih kemijskih proizvoda, uključujući silane i silikone.
Rast elektronike u proteklom stoljeću također je neraskidivo povezan s silicijem i njegovim jedinstvenim svojstvima.
Dok je stvaranje prvih tranzistora - preteča modernim mikročipovima - 1940-ih godina oslonjeno na germanium , nije bilo dugo prije no što je silicij zamijenio svog metaloida rođaka kao izdržljiviji supstrat poluvodički materijal.
Bell Labs i Texas Instruments započeli su komercijalnu proizvodnju silikonskih tranzistora 1954. godine.
Prvi integrirani krugovi silicija napravljeni su 1960-ih i, do 1970-ih, razvijeni su procesori koji sadrže silicij.
S obzirom na činjenicu da tehnologija poluvodiča na bazi silicija čini okosnicu moderne elektronike i računalstva, ne treba biti iznenađenje da se odnosi na središte aktivnosti za ovu industriju kao "Silicijsku dolinu".
(Za detaljan pregled povijesti i razvoja Silicijske doline i tehnologije mikročipova, preporučujem American Experience dokumentarac pod nazivom Silicijska dolina).
Nedugo nakon otkrivanja prvih tranzistora, rad Bell Labsa s silicijem doveo je do drugog velikog otkrića 1954. godine: Prva fotonaponska (solarna) ćelija od silicija.
Prije toga, pomisao o iskorištavanju energije od sunca kako bi stvorila moć na Zemlji većina je vjerovala da je nemoguće. Ali samo četiri godine kasnije, 1958. godine, prvi satelit napajan silicijskim solarnim ćelijama kruži oko zemlje.
Do 1970-ih, komercijalne aplikacije za solarne tehnologije su narasle na zemaljske aplikacije kao što su napajanje rasvjete na offshore ulje-rigs i željezničkih prijelaza.
Tijekom posljednja dva desetljeća korištenje solarne energije eksponencijalno je raslo. Danas fotonaponske tehnologije temeljene na siliciju čine oko 90 posto globalnog tržišta solarne energije.
Proizvodnja:
Većina silicija prerađenog svake godine - oko 80 posto - proizvodi se kao ferosilikonski za upotrebu u željezo i čelika . Ferrosilicon može sadržavati bilo gdje između 15 i 90 posto silicija, ovisno o zahtjevima topline.
Legura željeza i silicija proizvedena je pomoću uronjene elektrolučne peći pomoću smjese taljenja. Silica bogata ruda i izvor ugljika, kao što je koksni ugljen (metalurški ugljen), drobljeni su i napunjeni u peć zajedno s otpadnim željezom.
Pri temperaturama iznad 1900 ° C (3450 ° F), ugljik reagira s kisikom prisutnim u rude, stvarajući plin ugljični monoksid. Preostalo željezo i silicij, u međuvremenu, se kombiniraju kako bi nastali rastopljeni ferosilikoni, koji se mogu sakupljati dodirom baze peći.
Nakon hlađenja i otvrdnjavanja, ferrosilikoni se mogu otpremiti i upotrijebiti izravno u proizvodnji željeza i čelika.
Isti postupak, bez uključivanja željeza, koristi se za proizvodnju silikona metalurškog razreda koji je veći od 99 posto čistog. Metalurški silicij također se koristi za taljenje čelika, kao i za proizvodnju aluminijskih lijeva i silan kemikalija.
Metalurški silicij se klasificira prema stupnju nečistoća željeza, aluminija i kalcija prisutnog u leguri. Na primjer, 553 silikon metal sadrži manje od 0,5 posto svakog željeza i aluminija, a manje od 0,3 posto kalcija.
Svake se godine proizvodi svake godine oko 8 milijuna metrijskih tona ferosilicona, pri čemu Kina čini oko 70 posto ukupnog broja. Veliki proizvođači uključuju grupu Erdos Metallurgy, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Grupu OM Materials i Elkem.
Dodatno 2,6 milijuna metričkih tona metalurškog silicija - ili oko 20 posto ukupnog rafiniranog silikonskog metala - proizvodi se godišnje. Kina, opet, čini oko 80 posto ovog izdatka.
Iznenađenje mnogima je da solarni i elektronički stupci silicija predstavljaju tek malu količinu (manje od dva posto) svih rafiniranih silicija.
Za nadogradnju na solarnu silicijsku metalnu (polisilikonsku) čistoću mora se povećati prema gore od 99,9999% (6N) čistog silicija. To se postiže putem jedne od tri metode, najčešći je Siemensov proces.
Siemensov proces uključuje kemijsko isparavanje taloga hlapljivog plina poznatom kao triklorosilan. Na 1150 ° C (2102 ° F) triklorosilan se upuhuje na silikonsko sjeme visoke čistoće postavljeno na kraju štapića. Dok prolazi, silicij velike čistoće iz plina se nanosi na sjeme.
Reaktor s tekućim slojem (FBR) i nadograđena silikonska tehnologija metalurškog stupnja (UMG) također se koriste kako bi se metal pojačao na polisilikonski prikladan za fotonaponsku industriju.
U 2013. godini proizvedeno je 230.000 metrijskih tona polisilikata. Vodeći proizvođači uključuju GCL Poly, Wacker-Chemie i OCI.
Naposljetku, kako bi se dobila silicijska elektronika pogodna za poluvodičku industriju i određene fotonaponske tehnologije, polisilikonski se materijal mora pretvoriti u ultra čisti monokristalni silicij kroz Czochralski proces.
Da bi se to postiglo, polisilikon se rastopi u posudi na 1425 ° C (2597 ° F) u inertnoj atmosferi. Kristalna stakla montirana štapića potom se uranjaju u rastaljenom metalu i polako se okreću i uklanjaju, dajući vrijeme da silicij rasti na materijalu sjemena.
Dobiveni proizvod je štap (ili boule) monokristalnog silicijskog metala koji može biti visok kao 99,999999999 (11N) posto čistog. Ova šipka može se dopirati s bonom ili fosfornom kao što je potrebno za ugađanje kvantno mehaničkih svojstava po potrebi.
Monokristalna šipka može se isporučiti klijentima kao što je, ili presijecana u ploče i polirana ili teksturirana za određene korisnike.
Prijave:
Dok se svake godine godišnje prerađuje otprilike deset milijuna metrijskih tona ferosilicona i silicijskog metala, većina komercijalno korištene silicije zapravo je u obliku silikonskih minerala koji se koriste za proizvodnju svega od cementa, maltera i keramike do stakla i polimeri.
Ferrosilicon, kao što je navedeno, najčešće se koristi metalni silicij. Od prve uporabe prije otprilike 150 godina, ferrosilikon je ostao važan deoksidacijski agens u proizvodnji ugljika i nehrđajućeg čelika . Danas, taljenje čelika ostaje najveći potrošač ferrosilicona.
Ferrosilicin ima brojne primjene, iako izvan stočarstva. To je pred-legura u proizvodnji magnezijevog ferosilikona, nodulizatora koji se koristi za proizvodnju nodularnog željeza, kao i tijekom procesa Pidgeona za preradu magnezija visoke čistoće.
Ferrosilicon se također može koristiti za proizvodnju legura od željeznih silicija topline i korozije, kao i silicijskog čelika, koji se koristi za proizvodnju elektromotora i transformatorskih jezgri.
Metalurški silicij može se koristiti u proizvodnji čelika, kao i sredstvo za legiranje u aluminijskom lijevu. Aluminijski-silikon (Al-Si) dijelovi automobila su lagani i jači od komponenti od lijevanog aluminija. Automobilski dijelovi kao što su blokovi motora i gume za gumu su neki od najčešćih aluminijskih dijelova od silicija.
Gotovo polovica metalurškog silicija koristi kemijska industrija kako bi se dobila prljava silika (sredstvo za zgušnjavanje i desikant), silani (agens za spajanje) i silikon (brtvila, ljepila i maziva).
Polisilikonski fotonaponski stupanj primarno se koristi u izradi polisiliconskih solarnih ćelija. Potrebno je oko pet tona polisilikona kako bi napravili jedan megawatt solarnih modula.
Trenutno, polisilikonska solarna tehnologija čini više od polovice solarne energije proizvedene na globalnoj razini, dok tehnologija monosilicina pridonosi oko 35 posto. Ukupno, 90 posto sunčeve energije koju ljudi koriste prikuplja se silicijskom tehnologijom.
Monokristalni silikon je također kritični poluvodički materijal koji se nalazi u suvremenoj elektronici. Kao supstratni materijal koji se koristi u proizvodnji tranzistorskih polja (FET), LED-a i integriranih sklopova, silicija se može naći na gotovo svim računalima, mobilnim telefonima, tabletima, televizorima, radijskim uređajima i drugim modernim komunikacijskim uređajima.
Procjenjuje se da više od jedne trećine svih elektroničkih uređaja sadrži tehnologiju poluvodiča na bazi silicija.
Konačno, tvrdi sloj silicij-karbida koristi se u različitim elektroničkim i neelektronim primjenama, uključujući sintetički nakit, visokotemperaturne poluvodiče, tvrdu keramiku, alate za rezanje, diskove kočnica, abrazivne materijale, nepropusne prsluke i grijaće elemente.
izvori:
Kratka povijest čeličnih savijanja i proizvodnja ferolegura.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri i Seppo Louhenkilpi.
O ulozi ferolegura u čeliku. 9. i 13. lipnja 2013. Trinaesti međunarodni kongres Ferroalloys. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Slijedite Terence na Google+