Metallprofil: är silikon en metall

Silikonmetall är en grå och ljust halvledande metall som används för att tillverka stål, solceller och mikrochips.

Silikon är det näst vanligaste elementet i jordskorpan (bakom endast syre) och det åttonde vanligaste elementet i universum. Faktum är att nästan 30 procent av jordskorpans vikt kan hänföras till kisel.

Elementet med atomnummer 14 förekommer naturligt i silikatmineraler, inklusive kiseldioxid, fältspar och glimmer, som är huvudbeståndsdelar av vanliga stenar som kvarts och sandsten.

En halvmetall (eller metalloid), kisel har några egenskaper hos både metaller och icke-metaller.

Liksom vatten - men till skillnad från de flesta metaller - kiselkontrakt i flytande tillstånd och expanderar när det stelnar. Den har relativt höga smält- och kokpunkter, och när den kristalliseras bildas en diamantkubisk kristallstruktur.

Kritisk mot kiselns roll som halvledare och dess användning i elektronik är elementets atomstruktur, som inkluderar fyra valenselektroner som gör det möjligt för kisel att binda med andra element lätt.

Egenskaper:

• Atomic Symbol: Si
• Atomnummer: 14
• Element Kategori: Metalloid
• Densitet: 2. 329g / cm3
• Smältpunkt: 2577 ° F (1414 ° C)
• Kokpunkt: 5909 ° F (3265 ° C)
• Mohs hårdhet: 7

Historia:

Den svenska kemisten Jons Jacob Berzerlius krediteras med första isolerande kisel 1823. Berzerlius uppnådde detta genom uppvärmning av metallkalium (som endast hade isolerats ett årtionde tidigare) i en degel längs med kaliumfluorosilikat.

Resultatet var amorft kisel.

Att göra kristallin kisel krävde dock mer tid. Ett elektrolytiskt prov av kristallint kisel skulle inte göras under ytterligare tre decennier.

Den första kommersialiserade användningen av kisel var i form av ferrosilikon.

Efter Henry Bessemer modernisering av stålindustrin i mitten av 1800-talet fanns stort intresse för stålmetallurgi och forskning inom stålteknik.

Vid tidpunkten för den första industriproduktionen av ferrosilikon på 1880-talet var betydelsen av kisel för att förbättra smältbarheten i grisjärn och deoxiderande stål ganska väl förstådd.

Tidig produktion av ferrosilicium gjordes i masugnar genom att reducera kiselhaltiga malmer med kol, vilket resulterade i silverfärgat grisjärn, ett ferrosilikon med upp till 20 procent kiselhalt.

Utvecklingen av ljusbågsugnar i början av 1900-talet gav inte bara större stålproduktion utan också mer ferrosilikonproduktion.

År 1903 började en grupp som specialiserat sig på att göra ferrolegeringen (Compagnie Generate d'Electrochimie) i Tyskland, Frankrike och Österrike, och 1907 grundades den första kommersiella kiselanläggningen i USA.

Ståltillverkning var inte den enda applikationen för kiselföreningar som kommersialiserades före slutet av 1800-talet.

För att producera konstgjorda diamanter år 1890, uppvärmde Edward Goodrich Acheson aluminiumsilikat med pulveriserad koks och i övrigt producerad kiselkarbid (SiC).

Tre år senare hade Acheson patenterat sin produktionsmetod och grundat Carborundum Company (karborundum är känt för kiselkarbid vid den tiden) för att tillverka och sälja slipmedel.

Vid tidigt 1900-tal hade kiselkarbidens ledande egenskaper också uppnåtts, och föreningen användes som en detektor i tidiga skeppsradioer. Ett patent för kiselkristalldetektorer beviljades GW Pickard 1906.

I 1907 skapades den första ljusdioden (LED) genom att anbringa spänning på en kiselkarbidkristall.

Under 1930-talet ökade kiselanvändningen med utvecklingen av nya kemiska produkter, inklusive silaner och silikoner.

Tillväxten av elektronik under det senaste århundradet har också varit oupplösligt kopplad till kisel och dess unika egenskaper.

Medan skapandet av de första transistorerna - prekursorerna till moderna mikrochips - på 1940-talet förlitade sig på germanium, var det inte länge innan kisel ersatte sin metalloid kusin som ett mer hållbart substrathalvledermaterial.

Bell Labs och Texas Instruments började kommersiellt producera kiselbaserade transistorer 1954.

De första kiselintegratorerna gjordes på 1960-talet och 1970-talet hade kiselhaltiga processorer utvecklats.

Med tanke på att kiselbaserad halvledarteknik utgör ryggraden i modern elektronik och databehandling, borde det inte vara överraskande att vi hänvisar till verksamhetsnavet för denna bransch som Silicon Valley. '

(För en detaljerad titt på historien och utvecklingen av Silicon Valley och microchip-tekniken rekommenderar jag starkt American Experience-dokumentären Silicon Valley).

Långt efter att de första transistorerna avslöjades ledde Bell Labs arbete med kisel till ett andra stort genombrott 1954: Den första solcelleren med solceller.

Före detta trodde tanken på att utnyttja energi från solen för att skapa makt på jorden troligtvis omöjligt. Men bara fyra år senare, 1958, kretsade den första satelliten som drivs av kisel solceller runt jorden.

Vid 1970-talet hade kommersiella applikationer för solteknologi vuxit till markbundna applikationer som drivbelysning på offshore oljigriggar och järnvägsövergångar.

Under de senaste två decennierna har användningen av solenergi ökat exponentiellt. I dag står kiselbaserade fotovoltaiska tekniker för cirka 90 procent av den globala solenergimarknaden.

Produktion:

Majoriteten av kisel raffinerade varje år - cirka 80 procent - produceras som ferrosilikon för användning vid järn- och ståltillverkning. Ferrosilicium kan innehålla var som helst mellan 15 och 90 procent kisel beroende på smältverkets krav.

Legeringen av järn och kisel tillverkas med användning av en nedsänkt elektrisk ljusbågsugn via reduktionssmältning. Kiselrik malm och en kolkälla såsom kokskol (metallurgisk kol) krossas och laddas i ugnen tillsammans med skrot.

Vid temperaturer över 1900 ° C (3450 ° F) reagerar kol med det syre som finns i malmen och bildar kolmonoxidgas. Det återstående järnet och kiselet, under tiden, kombinerar sedan för att göra smält ferrosilikon, vilket kan samlas genom att knacka på ugnsens botten.

När kylda och härdade kan ferrosiliciden därefter sändas och användas direkt vid tillverkning av järn och stål.

Samma metod, utan inklusion av järn, används för att producera metallurgisk kvalitetskisel som är större än 99 procent ren. Metallurgisk kisel används också vid smältning av stål samt tillverkning av aluminiumgjutna legeringar och silankemikalier.

Metallurgiskt kisel klassificeras av föroreningsnivåerna av järn, aluminium och kalcium närvarande i legeringen. Till exempel innehåller 553 kiselmetall mindre än 0. 5 procent av varje järn och aluminium och mindre än 0,3 procent kalcium.

Omkring 8 miljoner metriska ton ferrosilicium produceras varje år globalt och Kina står för cirka 70 procent av denna total. Stora producenter inkluderar Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials och Elkem.

En ytterligare 2. 6 miljoner ton metallurgisk kisel - eller cirka 20 procent av totalt raffinerad kiselmetall - produceras årligen. Kina står för cirka 80 procent av denna produktion.

En överraskning för många är att sol och elektroniska kvaliteter av kisel står för en liten mängd (mindre än två procent) av all förfinad kiselproduktion.

För att uppgradera till silikonmetall (polysilikon) måste renheten öka till 99. 9999% (6N) ren kisel. Detta görs via en av tre metoder, den vanligaste är Siemens-processen.

Siemens-processen innefattar kemisk ångavsättning av en flyktig gas känd som triklorosilan. Vid 1150 ° C (2102 ° F) triklorosilan blåses över ett silikonfrö av hög renhet monterad i en stavs ände. När den passerar över, sätts hög renhetskisel från gasen på fröet.

Vätskebäddsreaktor (FBR) och uppgraderad metallurgisk kvalitet (UMG) -kiselteknik används också för att förbättra metallen till polysilikon som är lämplig för den fotovoltaiska industrin.

230 000 ton polysilikon producerades 2013. Ledande tillverkare inkluderar GCL Poly, Wacker-Chemie och OCI.

För att göra kisel av elektronikskvalitet lämplig för halvledarindustrin och vissa fotovoltaiska tekniker måste polysilikon omvandlas till en ultrarenad monokristallkisel via Czochralski-processen.

För detta smältes polysilikonet i en smältkrosa vid 1425 ° C (2597 ° F) i en inert atmosfär. En stångmonterad frökristall doppas sedan i den smälta metallen och roteras långsamt och avlägsnas, vilket ger tid för kiseln att växa på frömaterialet. Den resulterande produkten är en stav (eller boule) av enkristallkiselmetall som kan vara så hög som 99.99999999 (11N) procent ren. Denna stång kan dopas med bor eller fosfor som krävs för att tweak de kvantmekaniska egenskaperna efter behov. Monokristallisten kan skickas till klienter, som är, eller skivas in i skivor och poleras eller textureras för specifika användare.

Tillämpningar:

Medan cirka tio miljoner metriska ton ferrosilicium och kiselmetall raffineras varje år, är det mesta av kisel som används kommersiellt faktiskt i form av kiselmineraler som används vid tillverkning av allt från cement, murbruk och keramik, till glas och polymerer.

Ferrosilicium, som noterat, är den vanligaste formen av metallisk kisel. Sedan dess första användning för 150 år sedan har ferrosilikon varit ett viktigt deoxideringsmedel vid framställning av kol och rostfritt stål. Idag är stålsmältning den största konsumenten av ferrosilikon.

Ferrosilikon har dock ett antal användningsområden utöver ståltillverkning. Det är en för-legering vid framställning av magnesium ferrosilikon, en nodulizer som används för att producera duktilt järn, liksom under Pidgeon-processen för raffinering av hög renhetsmagnesium.

Ferrosilicium kan också användas för att tillverka värme- och korrosionsbeständiga järnhaltiga kisellegeringar såväl som kiselstål, som används vid tillverkning av elektromotorer och transformatorkärnor.

Metallurgisk kisel kan användas vid stålframställning såväl som ett legeringsmedel i aluminiumgjutning. Aluminium-kisel (Al-Si) bildelar är lätta och starkare än komponenter gjutna av ren aluminium. Fordonsdelar som motorblock och däckfälgar är några av de vanligaste gjutna aluminiumkiseldelarna.

Nästan hälften av allt metallurgiskt kisel används av kemikalieindustrin för att göra smält kiseldioxid (ett förtjockningsmedel och torkmedel), silaner (ett kopplingsmedel) och silikon (tätningsmedel, lim och smörjmedel).

Polysilikon i fotovoltaisk kvalitet används främst vid tillverkning av polysilikon solceller. Omkring fem ton polysilikon behövs för att göra en megawatt solmoduler.

För närvarande utgör polysilikonens solteknologi mer än hälften av den solenergi som produceras globalt, medan monosilikonteknik bidrar med cirka 35 procent. Totalt uppsamlas 90 procent av solenergi som används av människor genom kiselbaserad teknik.

Monokristallisium är också ett kritiskt halvledarmaterial som finns i modern elektronik. Som substratmaterial som används vid produktion av fälteffekttransistorer (FET), lysdioder och integrerade kretsar, finns kisel i nästan alla datorer, mobiltelefoner, tabletter, tv-apparater, radioapparater och andra moderna kommunikationsenheter.

Det beräknas att mer än en tredjedel av alla elektroniska enheter innehåller kiselbaserad halvledarteknik.

Slutligen används hårdmetallkiselkarbid i en mängd olika elektroniska och icke-elektroniska applikationer, inklusive syntetiska smycken, halvledare med hög temperatur, hård keramik, skärverktyg, bromsskivor, slipmedel, skottsäkra västar och värmeelement.

Källor:

En kort historia av stållegering och ferroalloyproduktion.

URL: // www. URM-företag. com / images / docs / stållegerings-historia. pdf

Holappa, Lauri och Seppo Louhenkilpi.
På Rollen av Ferroalloys i Steelmaking.
9-13 juni 2013. Den trettonde internationella Ferroalloys-kongressen. URL: // www. pyrometallurgi. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

Följ Terence på Google+