Një vështrim në silikon gjysëm metalik
Metal silikoni është një metal gri gjysëmpërcjellës dhe me shkëlqim që përdoret për prodhimin e çelikut, qelizave diellore dhe mikroçipave.
Siliconi është elementi i dytë më i bollshëm në koren e tokës (prapa oksigjenit) dhe elementi i tetë më i zakonshëm i universit. Në fakt, gati 30 përqind e peshës së kores së tokës mund t'i atribuohet silicit.
Elementi me numrin atomik 14 ndodh natyrshëm në mineralet silikate, duke përfshirë silicë, feldspat dhe mikë, të cilat janë komponentë kryesorë të shkëmbinjve të përbashkët si kuarci dhe gur ranor.
Një gjysmë metal (ose metalloid ), silic ka disa vetitë e të dy metaleve dhe jo-metale.
Ashtu si uji - por ndryshe nga shumica e metaleve - kontratat e silikonit në gjendjen e saj të lëngët dhe zgjerohet pasi ajo solidifikohet. Ajo ka pika relativisht të larta të shkrirjes dhe vlimit, dhe kur kristalizohet formon një strukturë kub kristali diamanti.
Kritik për rolin e silikonit si një gjysmëpërçues dhe përdorimi i tij në elektronikë është struktura atomike e elementit, e cila përfshin katër elektronet valencë që lejojnë silikonin të lidhet me elemente të tjerë të gatshëm.
Vetitë:
- Simboli atomik: Si
- Numri atomik: 14
- Element Kategoria: Metalloid
- Dendësia: 2.329g / cm3
- Pika e shkrirjes: 2577 ° F (1414 ° C)
- Pika e vlimit: 5909 ° F (3265 ° C)
- Vështirësia e Mohit: 7
Historia:
Kimisti suedez Jons Jacob Berzerlius kreditohet me silikonin e parë izolues në 1823. Berzerli e realizoi këtë duke ngrohur kaliumin metalik (i cili ishte izoluar vetëm një dekadë më parë) në një kokërr bashkë me fluorosilikën e kaliumit.
Rezultati ishte silic amorf.
Megjithatë, bërja e silikonit kristalor kërkonte më shumë kohë. Një mostër elektrolitike e silikonit kristalor nuk do të bëhej për tre dekada.
Përdorimi i parë i komercializuar i silikonit ishte në formën e ferrosiliconit.
Pas modernizimit të Henry Bessemer të industrisë së çelikut në mesin e shekullit të 19-të, pati një interes të madh për metalurgjinë e çelikut dhe kërkimin në teknikat e prodhimit të çelikut.
Deri në kohën e prodhimit të parë industrial të ferrosiliconit në vitet 1880, rëndësia e silikonit në përmirësimin e duktilitetit në hekurin e derrit dhe çeliku deoxidues ishte mjaft mirë i kuptueshëm.
Prodhimi i hershëm i ferrosiliconit u bë në furrat e shpërthimit duke zvogëluar xeherorët që përmbajnë silikon me qymyr, gjë që rezultoi në hekur argjilor, një ferrosilicon me përmbajtje deri në 20 për qind silic.
Zhvillimi i furrave të harkut elektrik në fillim të shekullit të 20-të lejoi jo vetëm prodhimin më të madh të çelikut , por edhe më shumë prodhimin e ferrosilicës.
Në vitin 1903, një grup i specializuar në prodhimin e ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) filloi operacionet në Gjermani, Francë dhe Austri dhe, në vitin 1907, u themelua fabrika e parë komerciale e silikonit në SHBA.
Steelmaking nuk ishte e vetmja kërkesë për komponimet e silikonizuara komercializuar para fundit të shekullit të 19-të.
Për të prodhuar diamante artificiale në 1890, Edward Goodrich Acheson ndez ngrohjen e aluminit me koks pluhur dhe karabit të silikonit (SiC).
Tre vjet më vonë Acheson kishte patentuar metodën e tij të prodhimit dhe themeloi Carborundum Company (karborundi duke qenë emri i përbashkët për karabit silik në atë kohë) me qëllim të bërjes dhe shitjes së produkteve abrazive.
Deri në fillim të shekullit të 20-të, gjithashtu, pronat përçuese të karabitit të silikonit u realizuan dhe kompleksi u përdor si një detektor në radiot e anijes së hershme. Një patentë për detektorët kristal silikoni iu dha GW Pickard në vitin 1906.
Në vitin 1907, dioda e parë emitting diode (LED) u krijua duke aplikuar tensionin në një kristal silici karabit.
Përmes përdorimit të silikonit në vitet 1930 u rrit me zhvillimin e produkteve të reja kimike, duke përfshirë silanet dhe silikonet.
Rritja e elektronikës gjatë shekullit të kaluar ka qenë gjithashtu i lidhur ngushtë me silikonin dhe vetitë e tij unike.
Ndërsa krijimi i transistorëve të parë - pararendësit e mikroçipave modernë - në vitet 1940 u mbështetën në germanium , nuk ishte shumë kohë përpara se silic zëvendësoi kushëriin e tij metalloid si një material gjysmëpërçues substrate më të qëndrueshëm.
Bell Labs dhe Texas Instruments filluan prodhimin komerciale të transistorëve të bazuara në silic në vitin 1954.
Qarqet e para të integruara të silikonit u bënë në vitet 1960 dhe, deri në vitet 1970, ishin përpunuar procesorë që përmbajnë silikon.
Duke pasur parasysh se teknologjia gjysmëpërçuese e bazuar në silikon përbën boshtin e elektronikës dhe informatikës moderne, nuk duhet të habitemi që t'i referohemi qendrës së aktivitetit për këtë industri si 'Silicon Valley'.
(Për një vështrim të detajuar në historinë dhe zhvillimin e teknologjisë Silicon Valley dhe microchip, unë rekomandoj dokumentarin amerikan të Përvojave të titulluar Silicon Valley).
Jo shumë kohë pasi zbuluan transistorët e parë, puna e Bell Labs me silikon çoi në një zbulim të dytë të madh në vitin 1954: qeliza e parë fotovoltaike (diellore) e silikonit.
Para kësaj, mendimi për shfrytëzimin e energjisë nga dielli për të krijuar fuqi në tokë, besohej e pamundur nga shumica. Por vetëm katër vjet më vonë, në vitin 1958, sateliti i parë i fuqizuar nga qelizat diellore të silikonit po orbinoi tokën.
Deri në vitet 1970, aplikacionet komerciale për teknologjitë diellore ishin rritur në aplikime tokësore të tilla si ndezja e ndezjes në platformat e naftës në det të hapur dhe kalimet hekurudhore.
Gjatë dy dekadave të fundit, përdorimi i energjisë diellore është rritur në mënyrë eksponenciale. Sot, teknologjitë fotovoltaike me bazë silikoni përbëjnë rreth 90 përqind të tregut global të energjisë diellore.
prodhimit:
Shumica e silikonit të rafinuar çdo vit - rreth 80 për qind - prodhohet si ferrosilicon për përdorim në hekur dhe çelik . Ferrosilicon mund të përmbajë diku midis 15 dhe 90 për qind të silikonit varësisht nga kërkesat e shkritores.
Aliazh i hekurit dhe silicit prodhohet duke përdorur një furre të harkut elektrik të zhytur nëpërmjet shkrirjes së reduktimit. Oqeani i pasur me silicë dhe një burim i karbonit si qymyr i koksit (thëngjilli metalurgjik) është i grimcuar dhe i ngarkuar në furre së bashku me hekurin e hekurit.
Në temperaturë mbi 1900 ° C (3450 ° F), karboni reagon me oksigjenin e pranishëm në xeheror, duke formuar gazin e monoksidit të karbonit. Hekuri dhe silicimi i mbetur, ndërkohë, pastaj kombinohen për të bërë ferrosilicon të shkrirë, të cilat mund të mblidhen duke trokitur bazën e furrës.
Pasi të jetë ftohur dhe i ngurtësuar, ferrosilicon mund të transportohet dhe përdoret direkt në prodhimin e hekurit dhe çelikut.
E njëjta metodë, pa përfshirjen e hekurit, përdoret për të prodhuar silikon metalurgjik të klasës që është më i madh se 99 për qind i pastër. Silic metalurgjik përdoret gjithashtu edhe në shkrirjen e çelikut, si dhe prodhimin e lidhjeve të aluminit dhe kimikateve silane.
Silic metalurgjik klasifikohet nga nivelet e papastërtisë së hekurit, aluminit dhe kalciumit të pranishëm në aliazh. Për shembull, metali 553 silikon përmban më pak se 0.5 për qind të çdo hekuri dhe alumini dhe më pak se 0.3 për qind kalcium.
Rreth 8 milionë tonë metrik të ferrosilicon prodhohet çdo vit në nivel global, me Kinën që zë rreth 70 për qind të këtij totali. Prodhuesit e mëdhenj përfshijnë Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Grupi OM Materials dhe Elkem.
Një shtesë prej 2.6 milion ton metrikë silikoni metalurgjik - ose rreth 20 për qind e totalit të silikonit të rafinuar - prodhohet çdo vit. Kina, përsëri, përbën rreth 80 për qind të këtij produkti.
Një surprizë për shumë veta është se notat diellore dhe elektronike të llogarisë së silikonit për vetëm një sasi të vogël (më pak se dy për qind) të të gjithë prodhimit të silikonit të rafinuar.
Për të përmirësuar në metalin e silikonit (polysilicon), pastërtia duhet të rritet deri në 99.9999% (6N) silikon i pastër. Kjo bëhet përmes një nga tre metodave, më e zakonshme që është procesi Siemens.
Procesi i Siemens përfshin depozitimin e avullit kimik të një gazi të paqëndrueshëm të njohur si triklorosilani. Në 1150 ° C (2102 ° F) trichlorosilane është lulëzuar mbi një farë silicioni të pastër të lartë të montuar në fund të një shufre. Ndërsa kalon, siliciteti i lartë i pastërtisë nga gazi depozitohet mbi farën.
Reaktori i shtratit të fluideve (FBR) dhe teknologjia e përmirësuar e sinjalit metalurgjik (UMG) silic janë përdorur gjithashtu për të rritur metalin në polisilicon të përshtatshëm për industrinë fotovoltaike.
230.000 metrikë ton polysilicon u prodhuan në 2013. Prodhuesit kryesorë përfshijnë GCL Poly, Wacker-Chemie, dhe OCI.
Së fundi, për të bërë silikon të klasës elektronike të përshtatshme për industrinë e gjysmëpërçuesve dhe teknologjitë e caktuara fotovoltaike, polysilicon duhet të konvertohet në një silic ultra-të pastër monocrystal nëpërmjet procesit Czochralski.
Për ta bërë këtë, polysilicon është shkrirë në një crucible në 1425 ° C (2597 ° F) në një atmosferë inerte. Një shishe montuar kristal farë është zhytur pastaj në metalin e shkrirë dhe ngadalë rrotullohen dhe hequr, duke i dhënë kohë për të silikon të rritet në materialin e farës.
Produkti që rezulton është një shufër (ose boule) prej metali të vetëm silikoni kristali që mund të jetë aq i lartë sa 99.999999999 (11N) për qind i pastër. Ky shufër mund të dopedohet me bor ose fosfor, siç kërkohet për të shkulur vetitë mekanike kuantike sipas nevojës.
Shufra monocrystal mund të transportohet tek klientët siç është, ose feta në wafers dhe lëmuar ose textured për përdoruesit e veçanta.
Aplikimet:
Ndërsa rreth 10 milionë metrikë ton ferrosilikoni dhe silic metal janë rafinuar çdo vit, pjesa më e madhe e silikonit të përdorur në treg është aktualisht në formën e mineraleve të silikonit, të cilat përdoren në prodhimin e gjithçkaje nga çimentoja, llaçi, qeramika, qelqi dhe polimere.
Ferrosilicon, siç u tha, është forma më e përdorur e silikonit metalik. Që nga përdorimi i saj i parë rreth 150 vjet më parë, ferrosilicon ka mbetur një agjent i rëndësishëm deoksidues në prodhimin e karbonit dhe çelik inox . Sot, shkrirja e çelikut mbetet konsumatori më i madh i ferrosiliconit.
Megjithatë, Ferrosilicon ka një numër të përdorimeve përtej çelikut. Kjo është një para-aliazh në prodhimin e magnezit ferrosilicon, një nodulizer përdorur për të prodhuar hekur i urtë, si dhe gjatë procesit Pidgeon për rafinimin e magnezit të lartë të pastërtisë.
Ferrosilicon gjithashtu mund të përdoret për të bërë lidhjet me ngjyra silic të ngrohjes dhe korrozioni, si dhe çeliku i silikonit, i cili përdoret në prodhimin e elektro-motorëve dhe bërthamave të transformatorëve.
Silic metalurgjik mund të përdoret në çelik, si dhe një agjent aliazh në hedhjen e aluminit. Pjesët e makinave alumini-silikon (Al-Si) janë të lehtë dhe më të fortë se përbërësit e hedhur nga alumini i pastër. Pjesët e automobilave si blloqet e motorit dhe rimat e gomave janë disa nga pjesët më të shpeshta të hedhura të silikonit të aluminit.
Pothuajse gjysma e të gjithë silikonit metalurgjik përdoret nga industria kimike për të bërë silicë të ngopur (një agjent trashese dhe desiccant), silan (një agjent bashkimi) dhe silikoni (ngjitës, ngjitës dhe lubrifikantë).
Polisilik i fotovoltaikës klasës përdoret kryesisht në prodhimin e qelizave diellore të polisilicës. Rreth pesë ton polysilicon është e nevojshme për të bërë një megavat të moduleve diellore.
Aktualisht, teknologjia diellore polysilicon përbën më shumë se gjysmën e energjisë diellore të prodhuar në nivel global, ndërsa teknologjia monosilicon kontribuon rreth 35 për qind. Në total, 90 për qind e energjisë diellore që përdoret nga njerëzit grumbullohen me teknologji të bazuar në silikon.
Silikoni monokristal është gjithashtu një material kritik gjysmëpërçues i gjetur në elektronikën moderne. Si një material substrate që përdoret në prodhimin e transistorëve të efekteve në terren (FET), LEDs dhe qarqeve të integruara, siliconi mund të gjendet në pothuajse të gjithë kompjuterët, telefonat mobil, tableta, televizionet, radiot dhe pajisjet e tjera moderne të komunikimit.
Vlerësohet se më shumë se një e treta e të gjitha pajisjeve elektronike përmbajnë teknologji gjysmëpërçuese të bazuar në silikon.
Së fundi, silic karabit vështirë aliazh është përdorur në një shumëllojshmëri të aplikacioneve elektronike dhe jo elektronike, duke përfshirë bizhuteri sintetike, gjysmëpërçuesve me temperaturë të lartë, qeramika të forta, mjete prerëse, disqe frenash, gërryese, xhaketa antiplumb dhe elemente ngrohjeje.
burimet:
Një histori e shkurtër e lidhjes së çelikut dhe prodhimit të ferrokollit.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri dhe Seppo Louhenkilpi.
Për Rolin e Ferroallojeve në Steelmaking. Qershor 9-13, 2013. Kongresi i trembëdhjetë i Ferroallojeve Ndërkombëtare. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Ndiqni Terence në Google+