פרופיל המתכת: האם הסיליקון הוא מתכת

התבוננות בסיליקון המתכתי למחצה

מתכת הסיליקון הוא מתכת מוליך למחצה אפור מבריק המשמש לייצור פלדה, תאים סולריים, שבבי מיקרו.

הסיליקון הוא היסוד השכיח השני בקרום כדור הארץ (מאחורי החמצן בלבד) והאלמנט השמיני השכיח ביותר ביקום. למעשה, כמעט 30 אחוז מהמשקל של קרום כדור הארץ ניתן לייחס סיליקון.

האלמנט עם מספר אטומי 14 מתרחש באופן טבעי במינרלים סיליקטיים, כולל סיליקה, פלדספאר ומיקה, שהם מרכיבים עיקריים של סלעים נפוצים כגון קוורץ ואבן חול.

חצי מתכת (או מטלואידית ), סיליקון בעל כמה תכונות של מתכות ולא מתכות.

כמו מים - אבל בניגוד לרוב המתכות - חוזי הסיליקון במצב נוזלי ומתרחב ככל שהוא מתמצק. יש לה התכה גבוהה יחסית נקודות רתיחה, וכאשר התגבשו צורות יהלום מבנה גביש מעוקב.

קריטי לתפקיד של סיליקון כמו מוליכים למחצה והשימוש בו האלקטרוניקה הוא המבנה האטומי של האלמנט, הכולל ארבעה אלקטרונים valence המאפשרים סיליקון להתחבר עם אלמנטים אחרים בקלות.

נכסים:

• סמל אטומי: Si
• מספר אטומי: 14
• אלמנט קטגוריה: מטלואידית
• צפיפות: 2.329g / cm3
• נקודת התכה: 2577 ° F (1414 ° C)
• נקודת רתיחה: 5909 ° F (3265 ° C)
• קשיותו של מוחמד: 7

הִיסטוֹרִיָה:

הכימאי השוודי ג'ונס ג'ייקוב ברזרליוס זוכה לסיליקון מבודד ראשון ב -1823. ברזרליוס השלים זאת על ידי חימום אשלגן מתכתי (שהיה מבודד רק לפני עשור קודם לכן) בכור ההיתוך יחד עם אשלגן פלואורוסיליקט.

התוצאה היתה סיליקון אמורפי.

ביצוע סיליקון גבישי, עם זאת, נדרש יותר זמן. מדגם אלקטרוליטי של סיליקון גבישי לא ייעשה עוד שלושה עשורים.

השימוש המסחרי הראשון של סיליקון היה בצורה של ferrosilicon.

בעקבות המודרניזציה של הנרי בסמר של תעשיית steelmaking באמצע המאה ה -19, היה עניין רב מטלורגיה פלדה ומחקר טכניקות steelmaking.

עד הייצור התעשייתי הראשון של ferrosilicon ב 1880s, את החשיבות של סיליקון בשיפור משיכות ברזל חזיר ו deoxidizing פלדה היה די מובן.

הייצור המוקדם של ferrosilicon נעשה תנורים הפיצוץ על ידי הפחתת עפרות המכילים סיליקון עם פחם, אשר הביא ברזל חזיר כסוף, ferrosilicon עם עד 20 אחוז תוכן הסיליקון.

הפיתוח של תנורי קשת חשמלי בתחילת המאה ה -20 מותר לא רק ייצור פלדה גדול יותר, אלא גם ייצור ferrosilicon יותר.

בשנת 1903, קבוצה המתמחה בייצור ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) החלה פעילות בגרמניה, צרפת ואוסטריה, בשנת 1907, הראשון סיליקון מסחרי מסחרי בארה"ב הוקמה.

Steelmaking לא היה היישום היחיד עבור תרכובות סיליקון מסחור לפני סוף המאה ה -19.

כדי לייצר יהלומים מלאכותיים בשנת 1890, אדוארד גודריץ 'Aachon מחומם אלומיניום סיליקט עם אבקת קוקה קולה ומייצרת סיליקון קרביד אגב (SiC).

שלוש שנים לאחר מכן Acheson פטנט שיטת הייצור שלו והקים Carborundum החברה (carborundum להיות שם נפוץ קרביד סיליקון באותה עת) לצורך ביצוע ומכירה של מוצרים שוחקים.

בתחילת המאה ה -20, תכונות מוליכות של סיליקון קרביד היה גם הבין, ואת המתחם שימש גלאי ברדיו מוקדם הספינה. פטנט עבור גלאי גביש סיליקון הוענק GW Pickard בשנת 1906.

בשנת 1907, הראשון דיודות פולטות אור (LED) נוצר על ידי החלת מתח על גבי סיליקון קרביד סיליקון.

בשנות השלושים של המאה ה -20 גדל השימוש בסיליקון עם פיתוח של מוצרים כימיים חדשים, כולל סילאנים וסיליקון.

הצמיחה של האלקטרוניקה במהלך המאה האחרונה יש גם קשורה בקשר בל יינתק לסיליקון ולמאפיינים הייחודיים שלו.

בעוד היצירה של הטרנזיסטורים הראשונים - מבשרי שבבים מודרניים - בשנות ה -40 הסתמכה על גרמניום , זה לא היה זמן רב לפני סיליקון החליף את בן דודו metalloid כמו חומר מוליך למחצה עמיד יותר המצע.

בל מעבדות טקסס אינסטרומנטס החלה מסחרית בייצור מבוססי טרנזיסטורים סיליקון בשנת 1954.

המעגלים המשולבים הראשונים של סיליקון נעשו בשנות ה -60, ועד שנות ה -70 פותחו מעבדים המכילים סיליקון.

בהתחשב בכך כי טכנולוגיית מוליכים למחצה מבוססי סיליקון מהווה את עמוד השדרה של האלקטרוניקה המודרנית והמחשוב, זה לא צריך להיות הפתעה כי אנו מתייחסים לרכזת של פעילות עבור תעשיית "עמק הסיליקון".

(לקבלת מבט מפורט על ההיסטוריה ופיתוח של עמק הסיליקון וטכנולוגיה שבב, אני ממליץ בחום האמריקאי תיעודי זכאי עמק הסיליקון).

זמן קצר לאחר חשיפת הטרנזיסטורים הראשונים, עבודתם של בל מעבדות עם סיליקון הובילה לפריצת דרך משמעותית נוספת ב -1954: תא הסיליקון פוטו-וולטאי הראשון (השמש).

לפני כן, המחשבה על רתימת אנרגיה מן השמש כדי ליצור כוח על פני כדור הארץ היה בלתי אפשרי על ידי רוב. אבל רק ארבע שנים מאוחר יותר, בשנת 1958, הלוויין הראשון מופעל על ידי תאים סולריים סיליקון היה מקיף את כדור הארץ.

עד 1970, יישומים מסחריים עבור טכנולוגיות השמש גדלו ליישומים יבשתיים כגון תאורה תאורה על offshore שמן rigs ומעברי רכבת.

במהלך שני העשורים האחרונים, השימוש באנרגיה סולארית גדל באופן אקספוננציאלי. כיום, סיליקון מבוססי טכנולוגיות photovoltaic חשבון עבור כ 90 אחוזים של שוק האנרגיה הסולארית העולמית.

הפקה:

רוב הסיליקון מעודן מדי שנה - כ 80 אחוזים - מיוצר כמו ferrosilicon לשימוש ברזל steelmaking . Ferrosilicon יכול להכיל בכל מקום בין 15 ו - 90 אחוז סיליקון בהתאם לדרישות של smelter.

סגסוגת של ברזל וסיליקון מופק באמצעות תנור arc חשמלי שקוע באמצעות הפחתת ההתכה. עופרת סיליקה עשיר ומקור פחמן כגון פחם coking (פחם מתכות) הוא כתוש וטעון לתוך הכבשן יחד עם גרוטאות ברזל.

בטמפרטורות מעל 1900 מעלות צלזיוס (3450 מעלות צלזיוס), פחמן מגיב עם נוכחות החמצן ב עפרות, ויצרו פחמן חד חמצני. שאר ברזל וסיליקון, בינתיים, ואז לשלב לעשות ferrosilicon מותכת, אשר ניתן לאסוף על ידי הקשה על הבסיס של הכבשן.

לאחר התקררות מוקשה, ferrosilicon אז ניתן לשלוח ומשמש ישירות בייצור ברזל ופלדה.

באותה שיטה, ללא הכללה של ברזל, משמש לייצור סיליקון כיתה מתכות כי הוא גדול מ 99 אחוז טהור. סיליקון מתכות משמש גם בהתכת פלדה, כמו גם בייצור של סגסוגות אלומיניום יצוק וכימיקלים silane.

סיליקון מתכות מסווגים על ידי רמות הטומאה של ברזל, אלומיניום , סידן הנוכחי בסגסוגת. לדוגמה, 553 מתכת סיליקון מכיל פחות מ 0.5 אחוז של ברזל כל אלומיניום, פחות מ 0.3 אחוז סידן.

כ 8 מיליון טון מטרי של ferrosilicon מופק מדי שנה ברחבי העולם, עם סין חשבונאות עבור כ 70 אחוזים מכלל זה. המפיקים הגדולים כוללים ארדוס מטלורגיה הקבוצה, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, קבוצת חומרים OM ו Elkem.

נוסף 2.6 מיליון טון מטרי של סיליקון מתכות - או על 20 אחוזים מכלל מתכת סיליקון מזוקק - מיוצר מדי שנה. סין, שוב, מהווה כ 80% מהתוצר הזה.

הפתעה רבים היא כי ציונים סולאריים ואלקטרוניים של חשבון הסיליקון רק כמות קטנה (פחות משני אחוזים) של כל ייצור הסיליקון מעודן.

כדי לשדרג את המתכת סיליקון כיתה השמש (polysilicon), את הטוהר חייב להגדיל כלפי מעלה של 99.9999% (6N) סיליקון טהור. זה נעשה באמצעות אחת משלוש שיטות, הנפוץ ביותר להיות תהליך סימנס.

תהליך סימנס כרוך בתצהיר אדי כימיים של גז נדיף המכונה trichlorosilane. ב 1150 מעלות צלזיוס (2102 מעלות צלזיוס) trichlorosilane הוא פוצצו מעל זרע סיליקון טוהר גבוהה רכוב בסוף מוט. כאשר הוא עובר, סיליקון טוהר גבוהה מן הגז מופקד על הזרע.

כורי המיטה נוזלים (FBR) ושדרג מטלורגית כיתה (UMG) טכנולוגיית סיליקון משמשים גם כדי לשפר את המתכת polysilicon מתאים לתעשיית photovoltaic.

230,000 טון מטרי של polysilicon הופקו בשנת 2013. המפיקים המובילים כוללים GCL פולי, Wacker-Chemie, ו- OCI.

לבסוף, כדי להפוך את סיליקון בכיתה האלקטרוניקה מתאים לתעשיית המוליכים למחצה וטכנולוגיות פוטו וולטאיות מסוימות, polysilicon חייב להיות מומרים סיליקון מונוקריסטל טהור במיוחד באמצעות תהליך Czochralski.

כדי לעשות זאת, polysilicon הוא נמס ב כור היתוך ב 1425 ° C (2597 ° F) באווירה אינרטי. מוט מוטבע גרגר זרע הוא טבל אז מתכת מותכת לאט הסתובב והוסר, נותן זמן הסיליקון לגדול על חומר הזרע.

המוצר המתקבל הוא מוט (או boule) של מתכת סיליקון בודד יחיד שיכול להיות גבוה כמו 99.999999999 (11N) אחוזים טהור. מוט זה יכול להיות מסומם עם בורון או זרחן כנדרש כדי לצבוט את תכונות מכניות קוונטית כנדרש.

מוט מונו קריסטל ניתן לשלוח ללקוחות כפי שהוא, או פרוס לתוך ופלים מלוטש או מרקם עבור משתמשים ספציפיים.

יישומים:

בעוד בערך עשרה מיליון טון מטרי של ferrosilicon ומתכת סיליקון מעודנים מדי שנה, רוב הסיליקון המשמש באופן מסחרי הוא למעשה בצורה של מינרלים סיליקון, אשר משמשים בייצור של כל דבר, החל מלט, מרגמות, וקרמיקה, זכוכית ו פולימרים.

Ferrosilicon, כאמור, הוא הצורה הנפוצה ביותר של סיליקון מתכתי. מאז השימוש הראשון שלה סביב 150 שנה, ferrosilicon נותרה סוכן deoxidizing חשוב בייצור של פחמן נירוסטה . כיום, ההתכת פלדה נשאר הצרכן הגדול ביותר של ferrosilicon.

Ferrosilicon יש מספר שימושים מעבר steelmaking, אם כי. זהו מראש סגסוגת בייצור של מגנזיום ferrosilicon, נודוליזר המשמש לייצור ברזל רקיע, כמו גם במהלך תהליך Pidgeon עבור זיקוק מגנזיום טוהר גבוהה.

Ferrosilicon יכול לשמש גם כדי להפוך חום וסגסוגות עמידות בפני קורוזיה סיליקון ברזלי, כמו גם סיליקון פלדה, אשר משמש בייצור של מנועים חשמליים ליבות שנאי.

סיליקון מתכות ניתן להשתמש steelmaking כמו גם סוכן נתוך אלומיניום הליהוק. אלומיניום-סיליקון (Al-Si) חלקים המכונית הם קל וחזק יותר מרכיבים יצוק מאלומיניום טהור. חלקי רכב כגון בלוקים מנוע צמיגים שפות הם חלק הנפוץ ביותר יצוק חלקים סיליקון אלומיניום.

כמעט חצי מכל הסיליקון המתכתי משמשים בתעשייה הכימית כדי ליצור סיליקה מזוהמת (חומר מעבה ומייבש), סילאנים (סוכן צימוד) וסיליקון (חומרי איטום, דבקים וחומרי סיכה).

Polysilicon photovoltaic כיתה משמש בעיקר ביצירת תאים סולריים polysilicon. על חמישה טון של polysilicon יש צורך לעשות אחד מגה וואט של מודולים סולאריים.

נכון לעכשיו, הטכנולוגיה polysilicon השמש הטכנולוגיה עבור יותר ממחצית האנרגיה הסולארית המיוצר בעולם, בעוד הטכנולוגיה monosilicon תורמת כ 35 אחוזים. בסך הכל, 90 אחוזים של אנרגיה סולארית בשימוש על ידי בני אדם נאסף על ידי הטכנולוגיה מבוססת סיליקון.

סיליקון מונוקריסטל הוא גם חומר מוליך למחצה קריטי נמצא האלקטרוניקה המודרנית. כחומר מצע המשמש לייצור טרנזיסטורי אפקט שדה (FET), נוריות ומעגלים משולבים, סיליקון ניתן למצוא כמעט בכל המחשבים, טלפונים ניידים, טבליות, טלוויזיות, מכשירי רדיו והתקני תקשורת מודרניים אחרים.

ההערכה היא כי יותר משליש של כל המכשירים האלקטרוניים מכילים סיליקון מבוססי מוליכים למחצה הטכנולוגיה.

לבסוף, סגסוגת מסגסוגת מסגסוגת קשה משמש במגוון של יישומים אלקטרוניים ולא אלקטרוניים, כולל תכשיטים סינתטיים, מוליכים למחצה בטמפרטורה גבוהה, קרמיקה קשה, כלי חיתוך, דיסקים הבלם, שוחקים, אפודים מגן ואת אלמנטים חימום.

מקורות:

היסטוריה קצרה של פלדה alloying ו ferroalloy הפקה.
כתובת אתר: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
הולאפה, לורי וספו לוהנקילפי.

על התפקיד של Ferroalloys ב Steelmaking. יוני 13-13, 2013. הקונגרס הבינלאומי שלוש עשרה Ferroalloys. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf

עקוב אחר Terence ב- Google+