Spojrzenie na pół-metaliczny krzem
Metal krzemowy to szary i błyszczący półprzewodzący metal wykorzystywany do produkcji stali, ogniw słonecznych i mikroprocesorów.
Krzem jest drugim najbardziej obfitym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (za tlenem) i ósmym najbardziej powszechnym elementem we wszechświecie. W rzeczywistości prawie 30 procent masy skorupy ziemskiej można przypisać krzemowi.
Element o liczbie atomowej 14 występuje naturalnie w minerałach krzemianowych, w tym krzemionce, skalenie i mirze, które są głównymi składnikami pospolitych skał, takich jak kwarc i piaskowiec.
Półmetalowy (lub metaloidalny ) krzem ma pewne właściwości zarówno metali, jak i niemetali.
Podobnie jak woda - ale w przeciwieństwie do większości metali - krzem kurczy się w stanie ciekłym i rozszerza się wraz z zestalaniem. Ma stosunkowo wysokie temperatury topnienia i wrzenia, a po skrystalizowaniu tworzy strukturę kryształu sześciennego diamentu.
Krytyczna rola krzemu jako półprzewodnika i jego zastosowanie w elektronice jest strukturą atomu pierwiastka, która zawiera cztery elektrony walencyjne, które umożliwiają silikonowi łatwe łączenie z innymi pierwiastkami.
Nieruchomości:
- Symbol atomu: Si
- Liczba atomowa: 14
- Kategoria elementu: metaloid
- Gęstość: 2,329 g / cm3
- Temperatura topnienia: 2577 ° F (1414 ° C)
- Temperatura wrzenia: 5909 ° F (3265 ° C)
- Twardość Mohsa: 7
Historia:
Szwedzki chemik Jons Jacob Berzerlius został uznany za pierwszego izolującego krzem w 1823 roku. Berzerlius osiągnął to przez podgrzanie metalicznego potasu (który został wyizolowany dopiero dziesięć lat wcześniej) w tyglu wraz z fluorokrzemianem potasu.
Rezultatem był bezpostaciowy krzem.
Wytworzenie krystalicznego krzemu wymagało jednak więcej czasu. Elektrolityczna próbka krystalicznego krzemu nie byłaby produkowana przez kolejne trzy dekady.
Pierwsze komercyjne zastosowanie krzemu miało postać żelazokrzemu.
Po modernizacji przemysłu stalowego przez Henryka Bessemera w połowie XIX w. Pojawiło się duże zainteresowanie metalurgią stali i badaniami nad technikami hutniczymi.
Do czasu pierwszej przemysłowej produkcji żelazokrzemu w latach osiemdziesiątych XIX wieku znaczenie krzemu w polepszaniu ciągliwości stali surowej i stali odtleniającej było dość dobrze znane.
Wczesna produkcja żelazokrzemu została wykonana w wielkich piecach poprzez redukcję rud zawierających krzem z węglem drzewnym, co dało srebrzystą surówkę żelaza, żelazokrzemu o zawartości krzemu do 20%.
Rozwój elektrycznych pieców łukowych na początku XX wieku umożliwił nie tylko większą produkcję stali , ale także większą produkcję żelazokrzemu.
W 1903 roku grupa specjalizująca się w produkcji żelazostopów (Compagnie Generate d'Electrochimie) rozpoczęła działalność w Niemczech, Francji i Austrii, aw 1907 roku powstała pierwsza komercyjna fabryka krzemu w USA.
Produkcja stali nie była jedyną aplikacją na związki krzemu skomercjalizowane przed końcem XIX wieku.
Aby wyprodukować sztuczne diamenty w 1890 roku, Edward Goodrich Acheson ogrzewał krzemian glinowy ze sproszkowanym koksem i przypadkowo wyprodukował węglik krzemu (SiC).
Trzy lata później Acheson opatentował swoją metodę produkcji i założył firmę Carborundum Company (karborund jest powszechną nazwą węglika krzemu w tym czasie) w celu wytwarzania i sprzedaży produktów ściernych.
Na początku XX wieku udało się również zrealizować właściwości przewodzące węglika krzemu, a związek był używany jako detektor we wczesnych radiostacjach okrętowych. Patent na kryształowe detektory kryształu został przyznany GW Pickard w 1906 roku.
W 1907 roku powstała pierwsza dioda elektroluminescencyjna (LED), która doprowadziła napięcie do kryształu węglika krzemu.
W latach trzydziestych użycie krzemu wzrosło wraz z rozwojem nowych produktów chemicznych, w tym silanów i silikonów.
Rozwój elektroniki w minionym stuleciu był również nierozerwalnie związany z krzemem i jego wyjątkowymi właściwościami.
Podczas gdy tworzenie pierwszych tranzystorów - prekursorów nowoczesnych mikroprocesorów - w latach czterdziestych polegało na germanie , niedługo potem krzem zastąpił swojego metaloidowego kuzyna jako bardziej trwały półprzewodnikowy materiał podłoża.
Bell Labs i Texas Instruments rozpoczęły komercyjną produkcję tranzystorów krzemowych w 1954 roku.
Pierwsze krzemowe układy scalone zostały wykonane w latach 60. XX wieku, aw latach 70. opracowano procesory zawierające krzem.
Biorąc pod uwagę, że półprzewodnikowa technologia krzemowa stanowi podstawę nowoczesnej elektroniki i informatyki, nie powinno dziwić, że odnosimy się do centrum aktywności w tej branży jako "Doliny Krzemowej".
(Aby zapoznać się szczegółowo z historią i rozwojem Doliny Krzemowej i technologii mikrochipów, gorąco polecam film dokumentalny "American Experience" zatytułowany "Dolina Krzemowa").
Niedługo po odsłonięciu pierwszych tranzystorów, praca Bell Labs z krzemem doprowadziła do drugiego poważnego przełomu w 1954 roku: pierwsza krzemowa ogniwo fotowoltaiczne.
Wcześniej myśl o wykorzystaniu energii ze słońca do stworzenia mocy na ziemi była przez większość uważana za niemożliwą. Ale zaledwie cztery lata później, w 1958 roku, pierwszy satelita zasilany krzemowymi ogniwami słonecznymi krążył wokół Ziemi.
Do lat 70. XX wieku komercyjne zastosowania technologii słonecznych rozwinęły się do zastosowań naziemnych, takich jak zasilanie oświetlenia przybrzeżnych platform wiertniczych i przejazdów kolejowych.
W ciągu ostatnich dwudziestu lat wykorzystanie energii słonecznej wzrosło wykładniczo. Obecnie krzemowe technologie fotowoltaiczne stanowią około 90% globalnego rynku energii słonecznej.
Produkcja:
Większość rafinowanego krzemu rocznie - około 80 procent - produkowana jest jako żelazokrzemu do użytku w produkcji żelaza i stali . Ferrosilicon może zawierać od 15 do 90 procent krzemu w zależności od wymagań huty.
Stop żelaza i krzemu jest wytwarzany przy użyciu zanurzonego elektrycznego pieca łukowego poprzez wytapianie redukcyjne. Ruda bogata w krzemionkę i źródło węgla, takie jak węgiel koksujący (węgiel metalurgiczny) jest kruszona i ładowana do pieca wraz ze złomem żelaznym.
W temperaturach powyżej 1900 ° C (3450 ° F) węgiel reaguje z tlenem obecnym w rudzie, tworząc gazowy tlenek węgla. Pozostałe żelazo i krzem w międzyczasie łączą się, tworząc stopiony żelazokrzemu, który można zebrać, stukając w podstawę pieca.
Po ochłodzeniu i stwardnieniu żelazokrzemu można go następnie transportować i stosować bezpośrednio w produkcji żelaza i stali.
Ta sama metoda, bez użycia żelaza, jest stosowana do produkcji krzemu o czystości metalurgicznej, który jest czysty w ponad 99%. Krzem metalurgiczny stosowany jest również w hutnictwie stali, a także w produkcji odlewniczych stopów aluminium i chemikaliów silanowych.
Krzem metalurgiczny jest klasyfikowany na podstawie poziomów zanieczyszczeń żelaza, aluminium i wapnia obecnych w stopie. Na przykład 553 metaliczny krzem zawiera mniej niż 0,5 procent każdego żelaza i aluminium, a mniej niż 0,3 procent wapnia.
Rocznie na całym świecie produkowanych jest około 8 milionów ton metrycznych żelazokrzemu, z czego około 70 procent stanowią Chiny. Do dużych producentów należą Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials i Elkem.
Dodatkowe 2,6 miliona ton metrycznych krzemu metalurgicznego - lub około 20 procent całkowitego rafinowanego metalu krzemowego - jest wytwarzane corocznie. Chiny ponownie stanowią około 80 procent tej produkcji.
Niespodzianką dla wielu jest fakt, że słoneczne i elektroniczne gatunki krzemu stanowią zaledwie niewielką ilość (mniej niż dwa procent) całej rafinowanej produkcji krzemu.
Aby ulepszyć metal krzemowy klasy słonecznej (polikrzem), czystość musi wzrosnąć do 99,9999% (6N) czystego krzemu. Odbywa się to za pomocą jednej z trzech metod, z których najczęstszą jest proces Siemensa.
Proces Siemens polega na chemicznym osadzaniu z fazy gazowej lotnego gazu znanego jako trichlorosilan. W temperaturze 1150 ° C (2102 ° F) trichlorosilan przedmuchuje się ziarenka krzemu o wysokiej czystości zamontowanego na końcu pręta. W miarę przesuwania się, krzem o wysokiej czystości z gazu osadza się na nasionach.
Reaktor ze złożem fluidalnym (FBR) i ulepszona technologia krzemowa (UMG) są również stosowane w celu wzmocnienia metalu do polikrzemu odpowiedniego dla przemysłu fotowoltaicznego.
W 2013 r. Wyprodukowano 230 000 ton metrycznych polikrzemu. Wiodącymi producentami są GCL Poly, Wacker-Chemie i OCI.
Na koniec, aby uczynić krzem o klasie elektroniki odpowiednim dla przemysłu półprzewodnikowego i niektórych technologii fotowoltaicznych, polikrzemu należy dokonać konwersji do ultra-czystego krzemu monokrystalicznego za pomocą procesu Czochralskiego.
W tym celu polikrzemu stapia się w tyglu w temperaturze 1425 ° C (2597 ° F) w atmosferze obojętnej. Zamontowany w prętach kryształ zaszczepiający zanurza się następnie w stopionym metalu i powoli obraca się i usuwa, dając czas na wzrost krzemu na materiale siewnym.
Powstały produkt to pręt (lub kula) z monokrystalicznego krzemu metalicznego, który może być tak czysty jak 99,999999999 (11N) procent czysty. Ten pręt może być domieszkowany borem lub fosforem, jeśli jest to wymagane w celu ulepszenia właściwości mechaniki kwantowej zgodnie z wymaganiami.
Pręty monokryształowe mogą być wysyłane do klientów w stanie, w jakim są, lub krojone w wafle i polerowane lub teksturowane dla określonych użytkowników.
Aplikacje:
Podczas gdy około 10 milionów ton metrycznych żelazokrzemu i metalicznego krzemu jest corocznie uszlachetnianych, większość krzemu wykorzystywanego komercyjnie jest rzeczywiście w postaci minerałów krzemowych, które są wykorzystywane do produkcji wszystkiego, od cementu, moździerzy i ceramiki, do szkła i polimery.
Jak wspomniano, żelazokrzemu jest najczęściej stosowaną formą metalicznego krzemu. Od pierwszego użycia około 150 lat temu, żelazokrzemu pozostał ważnym czynnikiem odtleniającym w produkcji węgla i stali nierdzewnej . Obecnie hutnictwo stali pozostaje największym konsumentem żelazokrzemu.
Jednak Ferrosilicon ma wiele zastosowań poza stalownictwem. Jest to stop wstępny do produkcji żelazokrzemowego magnezu , niwulizatora stosowanego do produkcji żeliwa sferoidalnego, a także w procesie Pidgeona do rafinacji magnezu o wysokiej czystości.
Ferrosilicon może być również wykorzystywany do produkcji odpornych na ciepło i korozję stopów krzemu żelaznego, a także stali krzemowej, która jest wykorzystywana do produkcji elektromotorów i rdzeni transformatorów.
Krzem metalurgiczny może być stosowany w produkcji stali, a także jako środek stopowy w odlewaniu aluminium. Części samochodowe z aluminium i krzemu (Al-Si) są lekkie i wytrzymałe niż komponenty wykonane z czystego aluminium. Części samochodowe, takie jak bloki silnika i obręcze kół, to jedne z najchętniej używanych części z aluminium z silikonu.
Prawie połowa wszystkich metalurgicznych krzemu jest wykorzystywana przez przemysł chemiczny do produkcji zmatowionej krzemionki (środek zagęszczający i środek osuszający), silanów (środek sprzęgający) i silikonu (uszczelniacze, kleje i smary).
Polikrzemu klasy fotowoltaicznej używa się przede wszystkim do produkcji ogniw słonecznych polikrzemowych. Potrzeba około pięciu ton polikrzemu, aby wyprodukować jeden megawat modułów słonecznych.
Obecnie polisilikonowa technologia słoneczna odpowiada za ponad połowę energii słonecznej wytwarzanej na całym świecie, podczas gdy technologia monosilicon wnosi około 35 procent. W sumie 90 procent energii słonecznej wykorzystywanej przez ludzi jest gromadzone przez technologię opartą na krzemie.
Krzem monokryształowy jest również krytycznym materiałem półprzewodnikowym znajdującym się w nowoczesnej elektronice. Jako materiał wyjściowy stosowany w produkcji tranzystorów polowych (FET), diod LED i układów scalonych, krzem można znaleźć praktycznie we wszystkich komputerach, telefonach komórkowych, tabletach, telewizorach, radiotelefonach i innych nowoczesnych urządzeniach komunikacyjnych.
Szacuje się, że ponad jedna trzecia wszystkich urządzeń elektronicznych zawiera krzemową technologię półprzewodnikową.
Wreszcie węglik krzemu twardego stopu jest stosowany w różnych zastosowaniach elektronicznych i nieelektronicznych, w tym biżuterii syntetycznej, półprzewodnikach wysokotemperaturowych, twardej ceramiki, narzędziach skrawających, tarczach hamulcowych, materiałach ściernych, kamizelkach kuloodpornych i elementach grzejnych.
Źródła:
Krótka historia produkcji stali i produkcji stopów żelaza.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri i Seppo Louhenkilpi. Wcześniejsze
O roli żelazostopów w hutnictwie żelaza. 9-13 czerwca 2013 r. XIII Międzynarodowy Kongres Ferromostopów. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Obserwuj Terence w Google+