Металл Профиль: Is Silicon a Metal

Силиконовый металл - серый и блестящий полупроводящий металл, который используется для производства стали, солнечных батарей и микрочипов.

Кремний - второй наиболее распространенный элемент земной коры (за единственным кислородом) и восьмой наиболее распространенный элемент во Вселенной. Фактически, почти 30 процентов веса земной коры можно отнести к кремнию.

Элемент с атомным номером 14, естественно, встречается в силикатных минералах, включая кремнезем, полевой шпат и слюду, которые являются основными компонентами обычных пород, таких как кварц и песчаник.

Полуметаллический (или металлоид), кремний обладает некоторыми свойствами как металлов, так и неметаллов.

Как вода - но в отличие от большинства металлов - кремний сжимается в жидком состоянии и расширяется по мере его затвердевания. Он имеет относительно высокие температуры плавления и кипения, а при кристаллизации образуется кристаллическая кристаллическая структура алмаза.

Критически важным для роли кремния в качестве полупроводника и его использования в электронике является атомная структура элемента, которая включает в себя четыре валентных электрона, которые позволяют кремнию легко связываться с другими элементами.

Свойства:

• Атомный символ: Si
• Атомный номер: 14
• Элемент Категория: Металлоид
• Плотность: 2. 329 г / см3
• Точка плавления: 2577 ° F (1414 ° C)
• Точка кипения: 5909 ° F (3265 ° C)
• Твердость по Моо: 7

История:

Шведскому химику Джонсу Якову Берцерлюсу приписывают первый изолирующий кремний в 1823 году. Берцерлий выполнил это путем нагревания металлического калия (который был изолирован только десять лет назад) в тигле вдоль с фторосиликатом калия.

В результате получился аморфный кремний.

Создание кристаллического кремния, однако, потребовало большего времени. Электролитический образец кристаллического кремния не будет производиться еще три десятилетия.

Первое коммерческое использование кремния было в форме ферросилиция.

После модернизации Генри Бесемером сталелитейной промышленности в середине 19 века, был большой интерес к металлургической металлургии и исследованиям в области сталелитейной техники.

К моменту первого промышленного производства ферросилиция в 1880-х годах значение кремния в улучшении пластичности в чугуне и раскисляющей стали было достаточно хорошо понято.

Раннее производство ферросилиция было произведено в доменных печах путем восстановления кремнийсодержащих руд с древесным углем, что привело к серебристому чугуну, ферросилиция с содержанием кремния до 20 процентов.

Развитие электродуговых печей в начале 20-го века позволило не только увеличить производство стали, но и увеличить производство ферросилиция.

В 1903 году группа, специализирующаяся на создании ферросплавов (Compagnie Generate d'Electrochimie), начала свою деятельность в Германии, Франции и Австрии, а в 1907 году был основан первый коммерческий кремниевый завод в США.

Сталеплавильное производство не было единственным применением для соединений кремния, которые были коммерциализированы до конца XIX века.

Чтобы изготовить искусственные алмазы в 1890 году, Эдвард Гудрич Ачесон нагревал алюмосиликат с порошкообразным кокс и, кстати, производил карбид кремния (SiC).

Через три года Ачесон запатентовал свой метод производства и основал компанию Carborundum (карборунд, являющийся общим названием для карбида кремния в то время) с целью изготовления и продажи абразивных изделий.

К началу 20-го века также были реализованы проводящие свойства карбида кремния, и это соединение использовалось в качестве детектора в ранних судовых радиоприемниках. Патент на кремниевые кристаллодетекторы был предоставлен GW Pickard в 1906 году.

В 1907 году первый светодиод (LED) был создан путем приложения напряжения к кристаллу карбида кремния.

В 1930-х годах использование кремния выросло с развитием новых химических продуктов, в том числе силанов и силиконов.

Рост электроники за прошедшее столетие также неразрывно связан с кремнием и его уникальными свойствами.

В то время как создание первых транзисторов - предшественников современных микрочипов - в 1940-х годах опиралось на германий, незадолго до того, как кремний вытеснил своего металлистого кузена как более прочный полупроводниковый материал подложки.

Bell Labs и Texas Instruments начали коммерчески производить транзисторы на основе кремния в 1954 году.

Первые кремниевые интегральные схемы были сделаны в 1960-х годах, а к 1970-м годами были разработаны кремниевые процессоры.

Учитывая, что полупроводниковая технология на основе кремния является основой современной электроники и вычислительной техники, неудивительно, что мы ссылаемся на центр деятельности этой отрасли как «Силиконовая долина». '

(Для подробного изучения истории и разработки технологий Silicon Valley и микрочипов я настоятельно рекомендую документальный фильм American Experience под названием «Силиконовая долина»).

Вскоре после открытия первых транзисторов работа Bell Labs с кремнием привела к второму крупному прорыву в 1954 году: первая кремниевая фотовольтаическая (солнечная) ячейка.

До этого мысль об использовании энергии от солнца для создания власти на земле считалась невозможной большинством. Но всего через четыре года, в 1958 году, первый спутник с силиконовыми солнечными батареями вращался вокруг Земли.

К 1970-м годам коммерческие приложения для солнечных технологий выросли до наземных применений, таких как включение освещения на морских нефтяных платформах и железнодорожных переездах.

За последние два десятилетия использование солнечной энергии выросло по экспоненте. Сегодня на кремниевые фотогальванические технологии приходится около 90 процентов мирового рынка солнечной энергии.

Производство:

Большинство очищенных кремний каждый год - около 80 процентов - производится как ферросилиций для использования в железе и производстве стали. Ферросилиций может содержать от 15 до 90% кремния в зависимости от требований плавильного завода.

Сплав железа и кремния производится с использованием погруженной электродуговой печи путем редуцирующей плавки. Измельченная в силикагеле руда и источник углерода, такой как коксующийся уголь (металлургический уголь), измельчаются и загружаются в печь вместе с металлоломом.

При температурах более 1900 ° С (3450 ° F) углерод реагирует с кислородом, присутствующим в руде, образуя газообразный монооксид углерода. Остальное железо и кремний, между тем, затем объединяются, чтобы сделать расплавленный ферросилиций, который можно собрать, постукивая по основанию печи.

После охлаждения и закалки ферросилиций можно затем отгружать и использовать непосредственно в производстве железа и стали.

Тот же метод, без включения железа, используется для получения кремния из металлургического сорта, который имеет чистоту более 99 процентов. Металлургический кремний также используется в выплавке стали, а также в производстве алюминиевых литых сплавов и силановых химикатов.

Металлургический кремний классифицируется по уровням примеси железа, алюминия и кальция, присутствующих в сплаве. Например, 553 металлический кремний содержит менее 0,5% каждого железа и алюминия и менее 0,3% кальция.

Ежегодно в мире производится около 8 миллионов метрических тонн ферросилиция, причем на долю Китая приходится около 70 процентов этой суммы. Крупными производителями являются Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.

Ежегодно производится дополнительно 2. 6 миллионов метрических тонн металлургического кремния - или около 20 процентов всего рафинированного металлического кремния. Китай, опять же, составляет около 80 процентов этой продукции.

Для многих удивительно, что солнечные и электронные сорта кремния составляют всего лишь небольшое количество (менее двух процентов) всего производства очищенного кремния.

Для обновления до кремниевого металла (поликремния) на основе солнечного излучения чистота должна увеличиться до 99,99% (6N) чистого кремния. Это делается одним из трех способов, наиболее распространенным из которых является процесс Siemens.

Процесс Siemens включает химическое осаждение из паровой фазы летучего газа, известного как трихлорсилан. При 1150 ° С (2102 ° F) трихлорсилан продувается на кремниевом семени высокой чистоты, установленном на конце стержня. По мере того как он проходит, кремний высокой чистоты из газа осаждается на семена.

Реактор с псевдоожиженным слоем (FBR) и модернизированная кремниевая технология металлургического класса (UMG) также используются для повышения качества металла до поликремния, подходящего для фотоэлектрической промышленности.

В 2013 году было произведено 230 000 метрических тонн поликремния. Ведущие производители включают GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.

Наконец, чтобы сделать кремний класса электроники подходящим для полупроводниковой промышленности и некоторыми фотоэлектрическими технологиями, поликремний должен быть превращен в ультрачистый монокристаллический кремний через процесс Чохральского.

Для этого поликремний расплавляется в тигле при 1425 ° С (2597 ° F) в инертной атмосфере. Затем наплавленный семенной кристалл погружают в расплавленный металл и медленно поворачивают и удаляют, давая время для роста кремния на затравочном материале.

Полученный продукт представляет собой стержень (или бул) из монокристаллического кремниевого металла, который может достигать 99. 999999999 (11N) процентов чистого. Этот стержень может быть легирован бором или фосфором, если требуется, чтобы при необходимости модифицировать квантовомеханические свойства.

Монокристаллический стержень может поставляться клиентам как есть, или нарезаться в вафли, а также полироваться или текстурироваться для конкретных пользователей.

Применения:

В то время как приблизительно 10 миллионов метрических тонн ферросилиция и кремниевого металла каждый год очищаются, большинство используемых на рынке кремния в действительности представляет собой кремниевые минералы, которые используются для производства всего, от цемента, минометы и керамика, к стеклу и полимерам.

Ферросилиций, как уже отмечалось, является наиболее часто используемой формой металлического кремния. С момента своего первого использования около 150 лет назад ферросилиций оставался важным раскисляющим агентом при производстве углеродистой и нержавеющей стали. Сегодня выплавка стали остается крупнейшим потребителем ферросилиция.

Ферросилиций имеет ряд применений, помимо сталеплавильного производства. Это предварительный сплав в производстве ферросилиция магния, нодулятор, используемый для производства ковкого чугуна, а также во время процесса Пиджона для очистки магния высокой чистоты.

Ферросилиций также можно использовать для производства тепловых и коррозионностойких сплавов железа из железа, а также кремниевой стали, которая используется при производстве электродвигателей и трансформаторных сердечников.

Металлургический кремний может использоваться в производстве стали, а также легирующий агент в алюминиевом литье. Алюминиево-кремниевые (Al-Si) автомобильные детали легкие и прочные, чем компоненты, отлитые из чистого алюминия. Автомобильные детали, такие как блоки двигателя и шины, являются одними из наиболее часто применяемых деталей из литого алюминия.

Почти половина всего металлургического кремния используется химической промышленностью для производства дымящегося диоксида кремния (загустителя и осушителя), силанов (связующего) и силикона (герметиков, адгезивов и смазочных материалов).

Поликремний фотовольтаического класса в основном используется при изготовлении поликремниевых солнечных элементов. Для производства одного мегаватта солнечных модулей требуется около пяти тонн поликремния.

В настоящее время на рынке поликремния солнечной энергии приходится более половины солнечной энергии, производимой во всем мире, в то время как технология моносиликона составляет около 35 процентов. В общей сложности 90 процентов солнечной энергии, используемой людьми, собираются на основе кремниевой технологии.

Монокристаллический кремний также является критическим полупроводниковым материалом, найденным в современной электронике. В качестве материала подложки, используемого при производстве полевых транзисторов (FET), светодиодов и интегральных схем, кремний можно найти практически во всех компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, телевизорах, радио и других современных коммуникационных устройствах.

По оценкам, более трети всех электронных устройств содержат полупроводниковые технологии на основе кремния.

Наконец, карбид кремния из твердого сплава используется в различных электронных и неэлектронных приложениях, включая синтетические ювелирные изделия, высокотемпературные полупроводники, твердую керамику, режущие инструменты, тормозные диски, абразивы, пуленепробиваемые жилеты и нагревательные элементы.

Источники:

Краткая история производства стального сплава и ферросплавов.
URL: // www. УРМ-компания. ком / изображения / документы / сталь-легирование-история. pdf
Голаппа, Лаури и Сеппо Луенкильпи.

О роли ферросплавов в металлургическом производстве. 9-13 июня 2013 года. Тринадцатый Международный конгресс ферросплавов. URL: // www. пирометаллургия. сотрудничество. ZA / InfaconXIII / +1083-Holappa. pdf

Следуйте за Теренцией в Google+