Pogled na polimetil silicij
Silikonska kovina je siva in sijajna polprevodna kovina, ki se uporablja za proizvodnjo jekla, sončnih celic in mikročipov.
Silikon je drugi najpogostejši element v zemeljski skorji (le za kisikom) in osmi najpogostejši element v vesolju. Dejansko je skoraj 30 odstotkov teže zemeljske skorje mogoče pripisati silicijam.
Element z atomsko številko 14 je naravno prisoten v silikatnih mineralih, vključno s silicijevim dioksidom, feldsparom in sljudo, ki so glavne sestavine običajnih kamnin, kot so kremen in peščenjak.
Polikovina (ali metaloidna ) silicija ima nekatere lastnosti kovin in nekovin.
Tako kot voda - vendar za razliko od večine kovin - silicija pogodbe v svojem tekočem stanju in se širi, ko se strdi. Ima sorazmerno visoke talilne in vreliščne točke, in ko kristalizira obliko diamantne kubične kristalne strukture.
Bistvena za vlogo silicija kot polprevodnika in njegova uporaba v elektroniki je atomska struktura elementa, ki vključuje štiri valenčne elektrone, ki omogočajo, da se silikon zlahka povezuje z drugimi elementi.
Lastnosti:
- Atomski simbol: Si
- Atomska številka: 14
- Element Kategorija: Metalloid
- Gostota: 2.329 g / cm3
- Tališče: 2577 ° F (1414 ° C)
- Vrelišče: 5909 ° F (3265 ° C)
- Mohova trdota: 7
Zgodovina:
Švedskemu kemiku Jonsu Jacobu Berzerliusu je dobil prvi izolacijski silicij leta 1823. Berzerlius je to dosegel s segrevanjem kovinskega kalija (ki je bil izoliran že desetletje prej) v lončku skupaj s kalijevim fluorosilikatom.
Rezultat je bil amorfni silicij.
Kristalinični silicij pa potrebuje več časa. Elektrolitski vzorec kristalnega silicija se ne bi naredil še nadaljnjih treh desetletij.
Prva komercialna uporaba silicija je bila v obliki ferosilicija.
Po modernizaciji industrije jeklarstva Henryja Bessemerja sredi 19. stoletja je bilo zanimanje za jeklarsko metalurgijo in raziskave tehnik izdelave jekla.
Do prve industrijske proizvodnje ferosilicija v 1880-ih je bil pomen silicija za izboljšanje duktilnosti v surovem železu in deoksidacijskem jeklu dokaj dobro razumljen.
Zgodnja proizvodnja ferosilicija je bila izvedena v plavžih z zmanjšanjem silicijevih rud z ogljem, kar je povzročilo srebrno surovo železo, ferosilikon z do 20-odstotno vsebnostjo silicija.
Razvoj elektroobločnih peči na začetku 20. stoletja ni omogočal le večje proizvodnje jekla , ampak tudi večje proizvodnje ferosilicija.
Leta 1903 je skupina, specializirana za izdelavo ferroalloya (Compagnie Generate d'Electrochimie), začela delovati v Nemčiji, Franciji in Avstriji, leta 1907 pa je bila ustanovljena prva komercialna tovarna silicija v ZDA.
Izdelava jekla ni bila edina aplikacija silikonskih spojin, ki so bile tržene pred koncem 19. stoletja.
Za proizvodnjo umetnih diamantov leta 1890 Edward Goodrich Acheson segreva aluminijev silikat s kokosom v prahu in s tem proizvaja silicijev karbid (SiC).
Tri leta kasneje je Acheson patentiral svojo proizvodno metodo in ustanovil Carborundum Company (karborundum je splošno ime za silicijev karbid takrat) za izdelavo in prodajo abrazivnih izdelkov.
Do začetka 20. stoletja so bile izvedene tudi prevodne lastnosti silicijevega karbida in spojina je bila uporabljena kot detektor na zgodnjih ladijskih radijskih postajah. Patent za detektorje silicijevih kristalov je dobil GW Pickard leta 1906.
Leta 1907 je bila prva svetlobna dioda (LED) ustvarjena z uporabo napetosti v kristal s silicijevim karbidom.
Skozi 1930-te je uporaba silicija z razvojem novih kemičnih izdelkov, vključno s silani in silikoni, narasla.
Rast elektronike v preteklem stoletju je prav tako neločljivo povezana z silikonom in njegovimi edinstvenimi lastnostmi.
Medtem ko se je ustvarjanje prvih tranzistorjev - predhodnikov sodobnih mikročipov - v 1940-ih letih sklicevalo na germanij , ni bilo dolgo, preden je silikon zamenjal svoj kovinski bratranec kot trajnejši substratni polprevodniški material.
Bell Labs in Texas Instruments so začeli trženje silicija na osnovi tranzistorjev leta 1954.
Prva integrirana vezja silicija so bila izdelana v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, do sedemdesetih let prejšnjega stoletja pa so bili razviti silikonski procesorji.
Glede na to, da silikonska polprevodniška tehnologija tvori hrbtenico sodobne elektronike in računalništva, ne bi smelo biti presenečenje, da se nanašamo na središče dejavnosti te industrije kot "Silicijeve doline".
(Za natančen pogled na zgodovino in razvoj Silicon Valley in mikročip tehnologije, zelo priporočam Dokumentarni film American Experience Silicon Valley).
Kmalu po razkritju prvih tranzistorjev je delo Bell Labs z silikonom pripeljalo do drugega velikega preboj leta 1954: Prve silicijeve fotonapetostne (sončne) celice.
Pred tem se je večina menila, da je misel izkoriščanja energije sonca, da ustvarja moč na zemlji. Toda le štiri leta kasneje, leta 1958, je prvi satelit, ki ga poganjajo silicijeve sončne celice, orbitira na Zemljo.
Do sedemdesetih let so komercialne aplikacije za sončne tehnologije prerasle v kopenske aplikacije, kot so osvetljevanje naftnih ploščadi in železniških prehodov na morju.
V zadnjih dveh desetletjih je uporaba sončne energije eksponentno rasla. Današnje fotovoltaične tehnologije na osnovi silicija predstavljajo približno 90 odstotkov svetovnega trga sončne energije.
Produkcija:
Vsako leto večino silicijevega rafiniranega - okoli 80 odstotkov - proizvedemo kot ferosilicija za uporabo v železarski in jeklarski industriji . Ferrosilikon lahko vsebuje od 15 do 90 odstotkov silicija, odvisno od zahtev talilnice.
Zlitina železa in silicija se proizvaja z uporabo potopljene električne obločne peči z redukcijo taljenja. Ruda s silicijevim dioksidom in vir ogljika, kot je koksni premog (metalurški premog), se zdrobijo in nalagajo v peč skupaj z odpadnim železom.
Pri temperaturah nad 1900 ° C (3450 ° F) ogljik reagira s kisikom, ki je prisoten v rudi, in tvori plin ogljikovega monoksida. Preostalo železo in silicij se nato združita, da se pripravi staljen ferosilikon, ki ga je mogoče zbrati tako, da se dotakne osnove peči.
Ko se ohladi in utrdi, se ferosilicija lahko nato odpremi in se uporablja neposredno pri proizvodnji železa in jekla.
Ista metoda, brez vključitve železa, se uporablja za proizvodnjo silicijevega metalurškega razreda, ki je večji od 99 odstotkov čistega. Metalurški silicij se uporablja tudi pri taljenju jekla, pa tudi pri proizvodnji aluminijevih litin in silanskih kemikalij.
Metalurški silicij je razvrščen po stopnjah nečistoče železa, aluminija in kalcija v zlitini. Na primer, 553 silikonske kovine vsebuje manj kot 0,5 odstotka vsakega železa in aluminija ter manj kot 0,3 odstotka kalcija.
Vsako leto se vsako leto proizvede približno 8 milijonov metričnih ton ferosilicija, Kitajska pa predstavlja približno 70 odstotkov tega skupnega. Veliki proizvajalci vključujejo Erdos Metalurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials in Elkem.
Letno se proizvede dodatnih 2,6 milijona metričnih ton metalurškega silicija - ali približno 20 odstotkov celotne rafinirane silicijeve kovine. Kitajska spet predstavlja približno 80 odstotkov te proizvodnje.
Za mnoge je presenečenje, da solarni in elektronski razredi silicija predstavljajo le majhno količino (manj kot dva odstotka) celotne proizvodnje rafiniranega silicija.
Če želite nadgraditi na silicijevo kovinsko snov (polisilicija), se mora čistost povečati na 99,9999% (6N) čistega silicija. To se naredi z eno od treh metod, najpogostejši pa je proces Siemens.
Proces Siemens vključuje kemijsko nanašanje hlapov hlapnega plina, znanega kot trihlorsilan. Na 1150 ° C (2102 ° F) se triklorilsilan piha preko semena visoke čistosti silicija, nameščenega na koncu palice. Ko prehaja, se na seme deponira silikon visoke čistosti iz plina.
Reaktor fluidnih slojev (FBR) in nadgrajena silikonska tehnologija metalurgije (UMG) se prav tako uporabljajo za izboljšanje kovine na polisilicije, primerne za fotovoltaično industrijo.
V letu 2013 je bilo proizvedenih 230.000 metričnih ton polisilicija. Vodilni proizvajalci vključujejo GCL Poly, Wacker-Chemie in OCI.
Nazadnje je treba s poliuretično tehnologijo, ki je primeren za polprevodniško industrijo in nekatere fotonapetostne tehnologije, pretvoriti v ultra čisti monokristalni silicij prek Czochralskega procesa.
Za to se polisilik topi v loncu pri 1425 ° C (2597 ° F) v inertni atmosferi. Sesalni kristal, ki je nameščen na palico, nato potopimo v staljeno kovino in počasi zavrtimo in odstranimo, kar daje čas, da se silicij raste na semenskem materialu.
Nastali produkt je palica (ali boule) kristalnega silicijeve kovine, ki je lahko tako visoka kot 99,999999999 (11N) odstotna čista. To palico lahko dopolnimo z borom ali fosforjem, kot je potrebno, da se po potrebi izravnajo kvantne mehanske lastnosti.
Monokristalna palica se lahko odda strankam, kakršna je, ali narezana v rezine in polirana ali teksturirana za določene uporabnike.
Aplikacije:
Medtem ko vsako leto rafinirata približno deset milijonov metričnih ton ferosilicija in silicijeve kovine, je večina silicija, ki se uporablja komercialno, dejansko v obliki silicijevih mineralov, ki se uporabljajo pri izdelavi vsega iz cementa, malte in keramike, na steklo in polimeri.
Ferrosilikon, kot je navedeno, je najpogosteje uporabljena oblika kovinskega silicija. Od prve uporabe pred približno 150 leti je ferosilicija ostala pomemben agent za deoksidacijo pri proizvodnji ogljika in nerjavečega jekla . Danes je talilni jekla največji porabnik ferosilicija.
Ferrosilicon ima številne primere, ki presegajo izdelavo jekla. Je pred-zlitina pri proizvodnji magnezijevega ferosilicija, nodulizerja, ki se uporablja za proizvodnjo duktilnega železa, kot tudi med postopkom Pidgeon za prečiščevanje magnezija visoke čistosti.
Ferrosilikon se lahko uporablja tudi za izdelavo elektromotorjev in transformatorskih jeder toplotno- korozijsko odpornih silicijevih zlitin in silikonskega jekla.
Metalurški silikon se lahko uporablja pri izdelavi jekla, pa tudi pri legirnem aluminiju. Avtomobilski deli iz aluminija in silicija (Al-Si) so lahki in močnejši od sestavnih delov, ki so odlitki iz čistega aluminija. Avtomobilski deli, kot so bloki motorja in obroči za kolesa, so nekateri od najpogosteje litih aluminijevih silikonskih delov.
V kemični industriji skoraj polovico vsega metalurškega silicija uporablja fumed silicijev dioksid (sredstvo za zgoščevanje in desikant), silane (vezivno sredstvo) in silikon (tesnila, lepila in maziva).
Polisilicija fotovoltaičnega razreda se primarno uporablja pri izdelavi polisilicija sončnih celic. Za izdelavo enega megavata solarnih modulov potrebujemo približno pet ton polisilicija.
Trenutno polysilicon solarna tehnologija predstavlja več kot polovico sončne energije, proizvedene po vsem svetu, medtem ko monosilicon tehnologija prispeva približno 35 odstotkov. Skupaj 90 odstotkov sončne energije, ki jo porabi človek, zbira silikonska tehnologija.
Monokristalni silicij je tudi kritični polprevodniški material, ki ga najdemo v sodobni elektroniki. Kot substratni material, ki se uporablja pri proizvodnji tranzistorjev na polju (LED) in integriranih vezij, lahko silicij najdemo v skoraj vseh računalnikih, mobilnih telefonih, tabličnih računalnikih, televizorjih, radiu in drugih sodobnih komunikacijskih napravah.
Ocenjuje se, da več kot tretjina vseh elektronskih naprav vsebuje silikonsko polprevodniško tehnologijo.
Končno se silicijev karbid trde zlitine uporablja v različnih elektronskih in neelektronskih aplikacijah, vključno s sintetičnim nakitom, visokotemperaturnimi polprevodniki, trdo keramiko, rezalnimi orodji, zavornimi diski, abrazivi, neprebojnimi telovniki in grelnimi elementi.
Viri:
Kratka zgodovina jeklene zlitine in ferrolejske proizvodnje.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri in Seppo Louhenkilpi. -
O vlogi ferozlitin v proizvodnji jekla. 9. in 13. junij, 13. trinajsti mednarodni kongres ferorodov. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Sledite Terence v storitvi Google+