Metaalprofiel: Is Silicon een Metaal

Silicon metaal is een grijs en glanzend halfgeleidend metaal dat gebruikt wordt om staal, zonnecellen en microchips te vervaardigen.

Silicon is het tweede meest voorkomende element in de aardkorst (achter alleen zuurstof) en het achtste meest voorkomende element in het universum. In feite kan bijna 30 procent van het gewicht van de aardkorst worden toegeschreven aan silicium.

Het element met atoomgetal 14 komt natuurlijk voor in silicaat mineralen, waaronder silica, veldspaat en mica, die hoofdbestanddelen zijn van gemeenschappelijke rotsen zoals kwarts en zandsteen.

Een halfmetaal (of metalloid), silicium bezit een aantal eigenschappen van zowel metalen als niet-metalen.

Zoals water - maar in tegenstelling tot de meeste metalen - komt siliciumcontracten in de vloeibare toestand en breidt zich uit als het solidiseert. Het heeft relatief hoge smelt- en kookpunten en vormt als kristallisatie een diamantkubieke kristalstructuur.

De rol van silicium als een halfgeleider en het gebruik ervan in elektronica is de atoomstructuur van het element, dat vier valence-elektronen omvat die het mogelijk maken silicium met andere elementen gemakkelijk te binden.

Eigenschappen:

• Atoomgetal: Si
• Atoomgetal: 14
• Element Categorie: Metalloid
• Densiteit: 2. 329g / cm3
• Smeltpunt: 2577 ° F (1414 ° C)
• Kookpunt: 5909 ° F (3265 ° C)
• Moh's Hardheid: 7

Historisch:

De zweedse chemicus Jons Jacob Berzerlius wordt in 1823 met het eerste isolerende silicium gecrediteerd. Berzerlius heeft dit bereikt door verhitting van metallisch kalium (dat al een decennium eerder was geïsoleerde) in een smeltkroes met kaliumfluorosilicaat.

Het resultaat was amorf silicium.

Het maken van kristallijn silicium vereist echter meer tijd. Een elektrolytisch monster van kristallijn silicium zou niet nog eens drie decennia worden gemaakt.

Het eerste gecommercialiseerde gebruik van silicium was in de vorm van ferrosilicium.

Na de modernisering van Henry Bessemer's modernisering van de staalindustrie in het midden van de 19e eeuw, was er veel interesse in staalmetallurgie en onderzoek in staalfabrieken.

Ten tijde van de eerste industriële productie van ferrosilicium in de jaren 1880 was het belang van silicium bij het verbeteren van de buigbaarheid in het ijzer en deoxiderende staal redelijk goed begrepen.

De vroege productie van ferrosilicium werd gedaan in hoogovens door het verminderen van siliciumbevattende ertsen met houtskool, wat resulteerde in zilverachtig ijzer, een ferrosilicium met tot 20 procent siliciumgehalte.

De ontwikkeling van elektrische boogovens in het begin van de 20ste eeuw liet niet alleen een grotere staalproductie toe, maar ook meer ferrosiliconproductie.

In 1903 is een groep gespecialiseerd in het maken van de ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) in Duitsland, Frankrijk en Oostenrijk werkzaam. In 1907 werd de eerste commerciële siliciumfabriek in de VS opgericht.

Staalvorming was niet de enige toepassing voor siliciumverbindingen die voor het einde van de 19e eeuw waren aangekocht.

Om kunstmatige diamanten in 1890 te produceren, heeft Edward Goodrich Acheson verwarmd aluminiumsilicaat met poederkool en incidenteel geproduceerd siliciumcarbide (SiC).

Drie jaar later had Acheson zijn productiemethode gepatenteerd en Carborundum Company opgericht (Carborundum is de gewone naam voor siliciumcarbide op dat moment) voor het maken en verkopen van schurende producten.

In de vroege 20ste eeuw waren de geleidende eigenschappen van siliciumcarbide ook gerealiseerd, en de verbinding werd gebruikt als detector in vroege scheepsradio's. In 1906 werd een patent voor silicium kristal detectoren verleend aan GW Pickard.

In 1907 werd de eerste lichtemitterende diode (LED) gecreëerd door spanning aan een siliciumcarbide kristal toe te passen.

In de jaren dertig nam siliciumgebruik toe met de ontwikkeling van nieuwe chemische producten, waaronder silanen en siliconen.

De groei van de elektronica in de afgelopen eeuw is ook onlosmakelijk verbonden met silicium en zijn unieke eigenschappen.

Terwijl de oprichting van de eerste transistoren - de voorgangers van moderne microchips - in de jaren veertig op germanium berustte, was het niet lang voordat silicium zijn metalloïde neef vervangde als een duurzamer substraat halfgeleidermateriaal.

Bell Labs en Texas Instruments begonnen in 1954 commercieel met silicium gebaseerde transistors te produceren.

De eerste silicium geïntegreerde schakelingen werden in de jaren 1960 gemaakt en in de jaren zeventig werden siliciumhoudende processors ontwikkeld.

Gezien de silicium gebaseerde halfgeleidertechnologie de ruggengraat vormt van moderne elektronica en computergebruik, zou het geen verrassing zijn dat we de activiteit van deze industrie als Silicon Valley verwijzen. '

(Voor een gedetailleerde blik op de geschiedenis en ontwikkeling van Silicon Valley en microchiptechnologie adviseer ik de American Experience-documentaire Silicon Valley sterk aan.)

Niet lang na het onthullen van de eerste transistors leidde Bell Labs 'werk met silicium tot een tweede grote doorbraak in 1954: de eerste siliconenfotovoltaïsche (zonnecel) cel.

Voordien werd de gedachte om energie uit de zon te benutten om kracht op aarde te scheppen, hoogstens onmogelijk geacht. Maar slechts vier jaar later, in 1958, deed de eerste satelliet die door silicium zonnecellen werd aangedreven, de aarde rond.

In de jaren zeventig waren commerciële toepassingen voor zonne-technologieën gegroeid tot terrestrische toepassingen, zoals het aansteken van verlichting op offshore-olie- en spoorwegovergangen.

In de afgelopen twee decennia is het gebruik van zonne-energie exponentieel gegroeid. Vandaag vormen op silicium gebaseerde fotovoltaïsche technologieën ongeveer 90 procent van de wereldwijde zonne-energiemarkt.

Productie:

De meerderheid van siliconen geraffineerd elk jaar - ongeveer 80 procent - wordt geproduceerd als ferrosilicium voor gebruik bij ijzer- en staalfabrikanten. Ferrosilicium kan overal tussen 15 en 90 procent silicium bevatten, afhankelijk van de smelterbehoeften.

De legering van ijzer en silicium wordt geproduceerd met behulp van een ondergedompelde elektrische boogoven via reductie smelting. Silica rijke erts en een koolstofbron, zoals kokskool (metallurgische kool) wordt verpakt en in de oven geladen, samen met strijkijzer.

Bij temperaturen boven 1900

° C (3450 ° F) reageert koolstof met de aanwezige zuurstof, die koolmonoxide gas vormt. Het overblijvende ijzer en silicium, ondertussen, combineren vervolgens om gesmolten ferrosilicium, dat kan worden verzameld door de basis van de oven te tikken. Na afkoeling en verharding kan het ferrosilicium vervolgens worden verzonden en direct gebruikt bij het vervaardigen van ijzer en staal.

Dezelfde methode, zonder de opname van ijzer, wordt gebruikt om silicium metallurgisch gehalte te produceren dat groter is dan 99 procent zuiver. Metallurgisch silicium wordt ook gebruikt bij het smelten van staal, evenals de vervaardiging van aluminiumgietlegeringen en silanchemicaliën.

Metallurgisch silicium wordt geclassificeerd door de onzuiverheidsgraden van ijzer, aluminium en calcium aanwezig in de legering. Bijvoorbeeld bevat 553 siliciummetaal minder dan 0,5 procent van elk ijzer en aluminium en minder dan 0,3 procent calcium.

Ongeveer 8 miljoen ton ferrosilicium wordt jaarlijks wereldwijd geproduceerd, waarbij China ongeveer 70 procent van dit totaal uitmaakt. Grote producenten zijn onder meer Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials en Elkem.

Jaarlijks wordt jaarlijks 2,6 miljoen ton metallurgisch silicium - of ongeveer 20 procent van het totale geraffineerde siliciummetaal - geproduceerd. China vertegenwoordigt opnieuw ongeveer 80 procent van deze output.

Een verrassing voor velen is dat zonne-en elektronische siliconencijfers slechts een kleine hoeveelheid (minder dan twee procent) uitmaken van alle geraffineerde siliciumproductie.

Om te upgraden naar zonnecel siliciummetaal (polysilicium), moet de zuiverheid stijgen tot 99. 9999% (6N) zuiver silicium. Dit gebeurt via een van de drie methoden, het meest voorkomende is het Siemens-proces.

Het Siemens-proces omvat chemische dampafzetting van een vluchtig gas, bekend als trichloorsilaan. Bij 1150

° C (2102 ° F) wordt trichloorsilaan geblazen over een hoog zuiverheid siliciumzaad gemonteerd aan het einde van een staaf. Naarmate het doorgaat, wordt silicium van hoge zuiverheid uit het gas op het zaad gedeponeerd. Fluid bed reactor (FBR) en upgrade metallurgische kwaliteit (UMG) siliconen technologie worden ook gebruikt om het metaal te verbeteren naar polysilicon, geschikt voor de fotovoltaïsche industrie.

230.000 ton polysilicium werden in 2013 geproduceerd. De belangrijkste producenten zijn GCL Poly, Wacker-Chemie en OCI.

Ten slotte, om siliconen van elektronica te maken die geschikt is voor de halfgeleiderindustrie en bepaalde fotovoltaïsche technologieën, moet polysilicium via het Czochralski-proces omgezet worden naar een ultrazuivere monokristale silicium.

Om dit te doen wordt het polysilicium in een smeltkroes bij 1425

° C (2597 ° F) in een inerte atmosfeer gesmolten. Een staaf gemonteerd zaadkristal wordt vervolgens gedompeld in het gesmolten metaal en langzaam gedraaid en verwijderd, waardoor de silicium op de zaadmateriaal groeit. Het resulterende product is een staaf (of boule) van enkelkristal siliciummetaal dat zo hoog kan zijn als 99. 999999999 (11N) procent zuiver. Deze staaf kan worden gedoteerd met borium of fosfor, zoals vereist om de kwantummechanische eigenschappen te vereenvoudigen zoals vereist.

De monokristale staaf kan naar klanten worden verzonden, of gesneden in wafels en gepolijst of getextureerd voor specifieke gebruikers.

Toepassingen:

Terwijl ongeveer jaarlijks ongeveer tien miljoen metrieke ton ferrosilicium en siliciummetaal worden geraffineerd, is het merendeel van het commercieel gebruikte silicium in feite in de vorm van siliciummineralen die worden gebruikt bij de vervaardiging van alles van cement, mortieren en keramiek, op glas en polymeren.

Ferrosilicium, zoals vermeld, is de meest gebruikte vorm van metallisch silicium. Sinds het eerste gebruik circa 150 jaar geleden is ferrosilicium een ​​belangrijke ontoxidiserende stof in de productie van koolstof en roestvrij staal gebleven. Vandaag is staal smelting de grootste consument van ferrosilicium.

Ferrosilicium heeft echter een aantal toepassingen buiten staalfabriek. Het is een pre-legering bij de productie van magnesium ferrosilicium, een nodulizer gebruikt om buigbaar ijzer te produceren, evenals tijdens het Pidgeon-proces voor het verfijnen van magnesium met een hoge zuiverheid.

Ferrosilicium kan ook worden gebruikt om warmte- en corrosiebestendige ferro-siliciumlegeringen en siliciumstaal te maken, die gebruikt wordt bij de vervaardiging van elektromotoren en transformatorkernen.

Metallurgisch silicium kan gebruikt worden in staalfabrieken, evenals een legeringsmiddel in aluminiumgieten. Aluminium-silicium (Al-Si) auto-onderdelen zijn lichtgewicht en sterker dan componenten gegoten uit puur aluminium. Auto-onderdelen zoals motorblokken en bandwielen zijn enkele van de meest gegoten aluminium silicium onderdelen.

Bijna de helft van alle metallurgische siliconen wordt door de chemische industrie gebruikt om fumed silica (verdikkingsmiddel en droogmiddel), silanen (een koppelingsmiddel) en siliconen (afdichtmiddelen, lijmen en smeermiddelen) te maken.

Polysilicium wordt gebruikt voor het maken van polysilicium zonnecellen. Ongeveer vijf ton polysilicium is nodig om een ​​megawatt van zonnepanelen te maken.

Momenteel vertegenwoordigt de polysilicon-zonne-technologie meer dan de helft van de wereldwijde zonne-energie, terwijl de monosilicon-technologie ongeveer 35 procent draagt. In totaal wordt 90 procent van de zonne-energie gebruikt door mensen verzameld door middel van silicium gebaseerde technologie.

Monocrystal silicium is ook een kritisch halfgeleider materiaal in de moderne elektronica. Als substraat materiaal gebruikt bij de productie van veld effect transistors (FET's), LED's en geïntegreerde schakelingen, kan silicium worden gevonden in vrijwel alle computers, mobiele telefoons, tablets, televisies, radio's en andere moderne communicatieapparatuur.

Geschat is dat meer dan eenderde van alle elektronische apparaten silicium gebaseerde halfgeleider technologie bevatten.

Ten slotte wordt het hardlegerende siliciumcarbide gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische en niet-elektronische toepassingen, waaronder synthetische juwelen, halfgeleiders met hoge temperaturen, harde keramiek, snijgereedschappen, remschijven, schuurmiddelen, kogelvrije vests en verwarmingselementen.

Bronnen:

Een korte geschiedenis van de legering van staal en ferroalloy.

URL: // www. URM-bedrijf. com / images / docs / steel-legeren-geschiedenis. pdf
Holappa, Lauri en Seppo Louhenkilpi.
Over de rol van Ferroalloys in Steelmaking.

9-13 juni, 2013. Het dertiende Internationale Ferroalloys Congres. URL: // www. pyrometallurgie. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf Volg Terence op Google+