Egenskaperna och användningen av Silicon Metal

Silikonmetall är en grå och glansig halvledande metall som används för att tillverka stål, solceller och mikrochips. Kisel är det näst vanligaste elementet i jordskorpan (bakom bara syre) och det åttonde vanligaste elementet i universum. Nästan 30 procent av vikten av jordskorpan kan tillskrivas kisel.

Elementet med atomnummer 14 förekommer naturligtvis i silikatmineraler, inklusive kiseldioxid, fältspat och glimmer, som är huvudkomponenter i vanliga bergarter som kvarts och sandsten. En halvmetall (eller metalloid), har kisel vissa egenskaper hos både metaller och icke-metaller.

Som vatten - men till skillnad från de flesta metaller - tränger kisel i flytande tillstånd och expanderar när det stelnar. Den har relativt höga smält- och kokpunkter, och när den kristalliseras bildar en diamantkubisk kristallstruktur. Det kritiska för kiselens roll som halvledare och dess användning inom elektronik är elementets atomiska struktur, som inkluderar fyra valenselektroner som gör att kisel kan binda till andra element lätt.

• Atomisk symbol: Si
• Atomnummer: 14
• Elementkategori: Metalloid
• Densitet: 2,329 g / cm3
• Smältpunkt: 1414 ° C (2577 ° F)
• Kokpunkt: 3265 ° C (5909 ° F)
• Moh's Hardness: 7

Den svenska kemisten Jons Jacob Berzerlius krediteras den första isolerande kiseln 1823. Berzerlius åstadkom detta genom att värma metalliskt kalium (som bara hade isolerats ett decennium tidigare) i en degel tillsammans med kaliumfluorosilikat. Resultatet var amorft kisel.

Att tillverka kristallint 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.

Följer Henry Bessemers modernisering av stålindustrin i mitten av 1800-talet var det stort intresse för stål metallurgi och forskning inom ståltillverkningstekniker. Vid tidpunkten för den första industriproduktionen av ferrosilikon på 1880-talet var kiselns betydelse för att förbättra duktilitet hos gris järn och deoxiderande stål förstås ganska väl.

Tidig produktion av ferrosilikon gjordes i masugnar genom att minska kiselinnehållande malmer med kol, vilket resulterade i silvigt grisjärn, ett ferrosilikon med upp till 20 procent kiselinnehåll.

Utvecklingen av elektriska bågugnar i början av 1900-talet möjliggjorde inte bara större stålproduktion utan också mer ferrosilikonproduktion. 1903 inleddes en grupp som specialiserat sig på att göra ferrolegeringen (Compagnie Generate d'Electrochimie) verksamhet i Tyskland, Frankrike och Österrike och 1907 var den första kommersiella kiselanläggningen i USA grundad.

Ståltillverkning var inte den enda applikationen för kiselföreningar som kommersialiserades före slutet av 1800-talet. För att producera konstgjorda diamanter 1890 upphettade Edward Goodrich Acheson aluminiumsilikat med pulveriserad koks och förresten producerat kiselkarbid (SiC).

Tre år senare hade Acheson patenterat sin produktionsmetod och grundat Carborundum Company (carborundum att vara det vanliga namnet på kiselkarbid vid den tiden) för att göra och sälja slipmedel Produkter.

I början av 1900-talet hade kiselkarbidens ledande egenskaper också förverkligats, och föreningen användes som en detektor i tidiga fartygsradio. Ett patent för kiselkristalldetektorer beviljades GW Pickard 1906.

År 1907 skapades den första ljusemitterande dioden (LED) genom att applicera spänning på en kiselkarbidkristall. Under 1930-talet växte kiselanvändningen med utvecklingen av nya kemiska produkter, inklusive silaner och silikoner. Tillväxten av elektronik under det senaste århundradet har också varit otydligt kopplad till kisel och dess unika egenskaper.

Medan skapandet av de första transistorerna - föregångarna till moderna mikrochips - på 1940-talet förlitade sig germanium, det tog inte lång tid innan kisel ersatte sin metalloid-kusin som ett mer hållbart halvledarmaterial. Bell Labs och Texas Instruments började kommersiellt producera kiselbaserade transistorer 1954.

De första kiselintegrerade kretsarna tillverkades på 1960-talet och på 1970-talet hade kiselinnehållande processorer utvecklats. Med tanke på att kiselbaserad halvledarteknologi utgör ryggraden i modern elektronik och beräkning bör det inte vara någon överraskning att vi hänvisar till aktivitetsnavet för denna bransch som "Silicon Dal.'

(För en detaljerad titt på historien och utvecklingen av Silicon Valley och mikrochipteknologi rekommenderar jag starkt American Experience-dokumentären med titeln Silicon Valley). Inte långt efter avslöjandet av de första transistorerna ledde Bell Labs arbete med kisel till ett andra stora genombrott 1954: Den första solcellcellen (solcell).

Före detta troddes tanken på att utnyttja solen från solen för att skapa kraft på jorden omöjlig av de flesta. Men bara fyra år senare, 1958, kretsade den första satelliten som drivs av kiselsolceller om jorden.

Vid 1970-talet hade kommersiella applikationer för solteknologier vuxit till markanvändningar såsom att driva belysning på offshore oljeriggar och järnvägskorsningar. Under de senaste två decennierna har användningen av solenergi ökat exponentiellt. I dag står kiselbaserade solcellstekniker för cirka 90 procent av den globala solenergimarknaden.

Majoriteten av kiselraffinerad varje år - cirka 80 procent - produceras som ferrosilikon för användning i järn och ståltillverkning. Ferrosilicon kan innehålla var som helst mellan 15 och 90 procent kisel beroende på smältverket.

De legering av järn och kisel produceras med hjälp av en nedsänkt elektrisk bågugn via reduktionssmältning. Kiseldik malm och en kolkälla som kokskol (metallurgiskt kol) krossas och laddas i ugnen tillsammans med skrotjärn.

Vid temperaturer över 1900°C (3450)°F) reagerar kol med syre som finns i malmen och bildar kolmonoxidgas. Återstående järn och kisel kombineras sedan för att göra smält ferrosilikon, som kan samlas in genom att knacka på ugnsbotten. När kylan har kylts och härdat kan den sedan transporteras och användas direkt i järn- och ståltillverkning.

Samma metod, utan införande av järn, används för att producera kisel av metallurgisk kvalitet som är större än 99 procent rent. Metallurgisk kisel används också vid stålsmältning, samt tillverkning av gjutna aluminiumlegeringar och silankemikalier.

Metallurgisk kisel klassificeras av föroreningar i järn, aluminiumoch 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.

Cirka 8 miljoner ton ferrosilikon produceras varje år över hela världen, och Kina står för cirka 70 procent av detta totalt. Stora producenter inkluderar Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials och Elkem.

Ytterligare 2,6 miljoner ton metallurgisk kisel - eller cirka 20 procent av den totala raffinerade kiselmetallen - produceras årligen. Kina står igen för cirka 80 procent av denna produktion. En överraskning för många är att sol- och elektronikhalter av kisel står för bara en liten mängd (mindre än två procent) av all raffinerad kiselproduktion. För att uppgradera till solkiselmetall (polysilikon) måste renheten öka upp till 99.9999% (6N) ren kisel. Det görs via en av tre metoder, den vanligaste är Siemens-processen.

Siemens-processen involverar kemisk ångavsättning av en flyktig gas känd som triklorsilan. 1150°C (2102°F) triklorsilan blåses över ett kiselfrö med hög renhet monterad i änden av en stång. När det passerar över avsätts kisel med hög renhet från gasen på fröet.

Fluidbäddsreaktor (FBR) och uppgraderad metallurgisk kiselteknologi (UMG) används också för att förbättra metallen till polysilikon som är lämpliga för fotovoltaisk industri. 2013 producerades två hundra trettiotusen ton polysilikon. Ledande producenter inkluderar GCL Poly, Wacker-Chemie och OCI.

Slutligen, för att göra elektronikkisel lämplig för halvledarindustrin och säker Fotovoltaiktekniker, polysilikon måste omvandlas till ultrat rent monokristall-kisel via Czochralski-process. För att göra detta smälts polysilikonet i en degel vid 1425°C (2597)°F) i en inert atmosfär. En stångmonterad utsädeskristall doppas sedan i den smälta metallen och roteras långsamt och avlägsnas, vilket ger tid för kisel att växa på frömaterialet.

Den resulterande produkten är en stång (eller boule) av enkelkristall-kiselmetall som kan vara så hög som 99.999999999 (11N) procent ren. Denna stång kan dopas med bor eller fosfor efter behov för att justera de kvantmekaniska egenskaperna vid behov. Monokristallstången kan skickas till klienter som den är, eller skivas i skivor och poleras eller struktureras för specifika användare.

Medan ungefär tio miljoner ton ferrosilikon och kiselmetall förädlas varje år, är majoriteten 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.

Ferrosilicon är, som noterat, den mest använda formen av metalliskt kisel. Sedan den första användningen för cirka 150 år sedan har ferrosilikon förblivit ett viktigt deoxideringsmedel vid produktion av kol och rostfritt stål. Idag är stålsmältning fortfarande den största konsumenten av ferrosilikon.

Ferrosilicon har dock ett antal användningsområden utöver ståltillverkning. Det är en förlegering i produktionen av magnesium ferrosilicon, en nodulisator som används för att producera duktilt järn, samt under Pidgeon-processen för att förädla magnesium med hög renhet. Ferrosilicon kan också användas för att skapa värme och korrosion resistenta järnkisellegeringar samt kiselstål, som används vid tillverkning av elektro-motorer och transformatorkärnor.

Metallurgisk kisel kan användas i ståltillverkning samt ett legeringsmedel vid aluminiumgjutning. Bildelar av aluminium-kisel (Al-Si) är lätta och starkare än komponenter gjutna av rent aluminium. Bildelar som motorblock och däckfel är några av de vanligaste kiseldelarna i aluminium.

Nästan hälften av all metallurgisk kisel används av den kemiska industrin för att göra kiseldioxid (a förtjockningsmedel och torkmedel), silaner (ett kopplingsmedel) och silikon (tätningsmedel, lim och smörjmedel). Polysilikon av fotovoltaisk kvalitet används främst vid tillverkning av solceller av polysilikon. Cirka fem ton polysilikon behövs för att göra en megawatt solmoduler.

För närvarande står polysilikonsolteknologi för mer än hälften av den solenergi som produceras globalt, medan monosilikontekniken bidrar med cirka 35 procent. Totalt samlas 90 procent av den solenergi som används av människor genom kiselbaserad teknik.

Monokristall-kisel är också ett kritiskt halvledarmaterial som finns i modern elektronik. Som ett underlagsmaterial som används vid produktion av fälteffekttransistorer (FET), lysdioder och integrerade kretsar, kisel kan hittas i praktiskt taget alla datorer, mobiltelefoner, surfplattor, TV-apparater, radioapparater och annan modern kommunikation enheter. Det uppskattas att mer än en tredjedel av alla elektroniska enheter innehåller kiselbaserad halvledarteknologi.

Slutligen används hårdlegeringen kiselkarbid i en mängd olika elektroniska och icke-elektroniska applikationer, inklusive syntet smycken, högtemperatur halvledare, hård keramik, skärverktyg, bromsskivor, slipmedel, skottbeständiga västar och värme element.

En kort historia av stållegering och ferrolegeringsproduktion.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri och Seppo Louhenkilpi.

Om järnlegeringarnas roll i Steelmaking. 9-13 juni 2013. Den trettonde International Ferroalloys Congress. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf