Ħarsa lejn is-silikon semi-metalliku
Il-metall tas-silikon huwa metall semikonduttiv griż u lustruż li jintuża għall-manifattura ta 'l-azzar, ċelluli solari, u mikroċippijiet.
Is-silikon huwa t-tieni element l-aktar abbundanti fil-qoxra tad-dinja (wara l-ossiġnu biss) u t-tmien element l-iktar komuni fl-univers. Fil-fatt, kważi 30 fil-mija tal-piż tal-qoxra tad-dinja jista 'jiġi attribwit lis-silikon.
L-element bin-numru atomiku 14 iseħħ b'mod naturali f'merniċi tas-silikat, inklużi s-silika, il-feldspar u l-majka, li huma komponenti ewlenin ta 'blat komuni bħal kwarz u ġebla ramlija.
Silikon semi-metall (jew metaloid ) jippossjedi xi proprjetajiet ta 'metalli u non-metalli.
Bħall-ilma - iżda b'differenza mill-biċċa l-kbira tal-metalli - il-kuntratti tas-silikon fl-istat likwidu tagħha u jespandu hekk kif tissolidifika. Għandha punti relattivament għoljin ta 'tidwib u ta' togħlija, u meta kristallizzat tifforma struttura tal-kristall kubiku tad-djamanti.
Ir-rwol kritiku għar-rwol tas-silikon bħala semikonduttur u l-użu tiegħu fl-elettronika huwa l-istruttura atomika tal-element, li tinkludi erba 'elettroni ta' valenza li jippermettu li s-silikon jgħaqqad ma 'elementi oħra faċilment.
Proprjetajiet:
- Simbolu Atomiku: Si
- Numru Atomiku: 14
- Element Kategorija: Metalojde
- Densità: 2.329 g / cm3
- Punt tat-tidwib: 2577 ° F (1414 ° C)
- Punt tat-togħlija: 5909 ° F (3265 ° C)
- L-ebusija ta 'Moh: 7
Storja:
L-ispiżjar Svediż Jons Jacob Berzerlius huwa akkreditat bl-ewwel iżolament tas-silikon fl-1823. Berzerlius wettaq dan billi jsaħħan il-potassju metalliku (li kien biss iżolat għaxar snin qabel) fi griġjol flimkien ma 'fluworossilikat tal-potassju.
Ir-riżultat kien silikon amorfu.
Madankollu, is-silikon kristallin kien jeħtieġ aktar ħin. Kampjun elettrolitiku ta 'silikon kristallin ma jkunx magħmul għal tliet deċennji oħra.
L-ewwel użu kkumerċjalizzat tas-silikon kien fil-forma ta 'ferrosilicon.
Wara l -immodernizzar ta 'Henry Bessemer ta' l-industrija ta 'l-industrija ta' l-azzar f'nofs is-seklu 19, kien hemm interess kbir fil - metallurġija ta 'l- azzar u fir-riċerka fit-tekniki ta' l-azzar.
Saż-żmien ta 'l-ewwel produzzjoni industrijali ta' ferrosilicon fl-1880, l-importanza tas-silikon fit-titjib tad- ductility fil- ħadid mhux maħdum u l-azzar deoxidizing intwera sew.
Produzzjoni bikrija ta 'ferrosilicon saret fil-kalkari tal-funderija billi tnaqqas il-minerali li fihom silikon bil-faħam tal-kannol, li rriżulta f'ħadid tal-majjal fil-fidda, ferrosilikon b'kontenut ta' silikon sa 20 fil-mija.
L-iżvilupp ta 'fran b'ark elettriku fil-bidu tas-seklu 20 ppermetta mhux biss produzzjoni akbar ta' l- azzar , iżda wkoll aktar produzzjoni ta 'ferrosilicon.
Fl-1903, grupp li jispeċjalizza fit-teħid tal-ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) beda operazzjonijiet fil-Ġermanja, Franza u l-Awstrija u, fl-1907, twaqqfet l-ewwel impjant kummerċjali tas-silikon fl-Istati Uniti.
L-iffurmar ta 'l-azzar ma kienx l-unika applikazzjoni għall-komposti tas-silikon kummerċjali li ġew ikkummerċjalizzati qabel l-aħħar tas-seklu 19.
Biex tipproduċi djamanti artifiċjali fl-1890, Edward Goodrich Acheson silikat ta 'l-aluminju msaħħan b'kokk imdewweb u karbur tas-silikon magħmul inċidentalment (SiC).
Tliet snin wara Acheson kienet ipprivatjat il-metodu ta 'produzzjoni tiegħu u mwaqqfa Carborundum Company (karborundum bħala l-isem komuni tal-karbur tas-silikon f'dak iż-żmien) bil-għan li jagħmlu u jbigħu prodotti li joborxu.
Sal-bidu tas-seklu 20, il-proprjetajiet konduttivi tas-silikon karbonju ġew realizzati wkoll, u l-kompost intuża bħala detector f'radios kmieni. Ingħatat privattiva għal ditekters tal-kristall tas-silikon lil GW Pickard fl-1906.
Fl-1907, l-ewwel dawl li jarmi d-dawl (LED) inħoloq billi ġiet applikata l-vultaġġ għal kristall tal-karbur tas-silikon.
Matul is-snin 1930 l-użu tas-silikon kiber bl-iżvilupp ta 'prodotti kimiċi ġodda, inklużi silani u silikoni.
It-tkabbir ta 'l-elettronika matul is-seklu li għadda kien ukoll marbut b'mod inseparabbli mas-silikon u l-proprjetajiet uniċi tiegħu.
Filwaqt li l-ħolqien ta 'l-ewwel transisters - il-prekursuri għal mikroċipps moderni - fl-1940 ibbaża ruħu fuq il- ġermanju , ma kienx qabel li s-silikon supplanta lill-kuġin metalojd tiegħu bħala materjal semikonduttur sostanzjali aktar sostenibbli.
Bell Labs u Texas Instruments bdew jipproduċu kummerċjalment transisters ibbażati fuq is-silikon fl-1954.
L-ewwel ċirkuwiti integrati tas-silikon saru fis-sittinijiet u, sa l-1970, kienu żviluppati proċessuri li fihom silikon.
Minħabba li t-teknoloġija tas-semikondutturi bbażata fuq is-silikon tifforma s-sinsla tal-elettronika u l-informatika moderna, m'għandux ikun sorpriża li nirreferu għall-buttun ta 'attività għal din l-industrija bħala' Silicon Valley '.
(Għal ħarsa dettaljata lejn l-istorja u l-iżvilupp tat-teknoloġija tal-Silicon Valley u l-mikroċipp, nirrakkomanda ħafna d-dokumentazzjoni tal-Esperjenza Amerikana intitolata Silicon Valley).
Mhux twil wara li żvelaw l-ewwel transisters, ix-xogħol ta 'Bell Labs b'silikon wassal għat-tieni avvanz kbir fl-1954: L-ewwel ċellula fotovoltajka (solari) tas-silikon.
Qabel dan, il-ħsieb li tiġi sfruttata l-enerġija mix-xemx biex tinħoloq enerġija fuq id-dinja kien maħsub li ma kienx possibbli. Imma biss erba 'snin wara, fl-1958, l-ewwel satellita mħaddma minn ċelloli solari tas-silikon kienet orbita l-art.
Sa l-1970, l-applikazzjonijiet kummerċjali għat-teknoloġiji solari kibru għal applikazzjonijiet terrestri bħat-tħaddim tad-dawl fuq riggijiet taż-żejt offshore u qsim tal-ferroviji.
Matul l-aħħar żewġ deċennji, l-użu tal-enerġija solari kiber b'mod esponenzjali. Illum, teknoloġiji fotovoltajċi bbażati fuq is-silikon huma responsabbli għal madwar 90 fil-mija tas-suq dinji tal-enerġija solari.
Produzzjoni:
Il-maġġoranza tas-silikon raffinat kull sena - madwar 80 fil-mija - hija prodotta bħala ferrosilicon għall-użu fil-ħadid u l- azzar . Il-ferrosilicon jista 'jkun fih kullimkien bejn 15 u 90 fil-mija tas-silikon skont ir-rekwiżiti tal-funderija.
Il- liga tal-ħadid u tas-silikon hija prodotta bl-użu ta 'forn tal-ark elettriku mgħaddas permezz ta' tidwib għat-tnaqqis. Minerali rikka tas-silika u sors tal-karbonju bħall-faħam tal-kokk (faħam metallurġiku) huwa mgħaffeġ u mgħobbi fil-forn flimkien ma 'ruttam tal-ħadid.
F'temperaturi 'l fuq minn 1900 ° C (3450 ° F), il-karbonju jirreaġixxi mal-ossiġnu preżenti fil-mineral, li jifforma gass tal-monossidu tal-karbonju. Il-bqija tal-ħadid u silikon, sadanittant, imbagħad jgħaqqdu biex jagħmlu ferrosilicon imdewweb, li jista 'jinġabar billi ttektek il-bażi tal-forn.
Ladarba mkessħa u mwebbsa, il-ferrosilicon jista 'mbagħad jiġi ttrasportat u użat direttament fil-manifattura tal-ħadid u l-azzar.
L-istess metodu, mingħajr l-inklużjoni tal-ħadid, jintuża biex jipproduċi silikon ta 'grad metallurġiku li huwa aktar minn 99 fil-mija pur. Is-silikon metallurġiku jintuża wkoll fit-tidwib ta 'l-azzar, kif ukoll fil-manifattura ta' ligi ta 'aluminju fondut u kimiċi tas-silan.
Is-silikon metallurġiku huwa kklassifikat bil-livelli ta 'impurità tal-ħadid, l- aluminju u l-kalċju preżenti fil-liga. Per eżempju, 553 metall tas-silikon fih inqas minn 0.5 fil-mija ta 'kull ħadid u aluminju, u anqas minn 0.3 fil-mija tal-kalċju.
Madwar 8 miljun tunnellata metrika ta 'ferrosilicon tiġi prodotta kull sena globalment, u ċ-Ċina tirrappreżenta madwar 70 fil-mija ta' dan it-total. Produtturi kbar jinkludu Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Grupp OM Materials u Elkem.
Addizzjonali 2.6 miljun tunnellata metrika ta 'silikon metallurġiku - jew madwar 20 fil-mija tat-total tal-metall tas-silikon raffinat - jiġi prodott kull sena. Iċ-Ċina, għal darb'oħra, tirrappreżenta madwar 80 fil-mija ta 'dan l-output
Sorpriża għal ħafna hija li l-gradi solari u elettroniċi tas-silikon jirrappreżentaw biss ammont żgħir (inqas minn tnejn fil-mija) tal-produzzjoni tas-silikon irfinut kollu.
Biex titjieb għal metall silikon ta 'grad solari (polysilicon), il-purità għandha tiżdied għal aktar minn 99.9999% (6N) silikon pur. Dan isir permezz ta 'wieħed mit-tliet metodi, l-iktar wieħed komuni li huwa l-proċess ta' Siemens.
Il-Proċess ta 'Siemens jinvolvi depożizzjoni ta' fwar kimiku ta 'gass volatili magħruf bħala trichlorosilane. Fil-1150 ° C (2102 ° F) trichlorosilane jinfirex fuq żerriegħa ta 'silikon ta' purità għolja mmuntata fl-aħħar ta 'virga. Hekk kif tgħaddi, is-silikon ta 'purità għolja mill-gass jiġi depożitat fuq iż-żerriegħa.
Ir-reattur tas-sodda tal-fluwidu (FBR) u t-teknoloġija tas-silikon tal-grad metallurġiku aġġornat (UMG) huma wkoll użati biex itejbu l-metall għal polysilicon adattat għall-industrija fotovoltajka.
230,000 tunnellata metrika ta 'polysilicon ġew prodotti fl-2013. Produtturi ewlenin jinkludu GCL Poly, Wacker-Chemie, u OCI.
Fl-aħħarnett, biex is-silikon tal-grad elettroniku jkun adattat għall-industrija tas-semikondutturi u għal ċerti teknoloġiji fotovoltajċi, il-polysilicon għandu jiġi kkonvertit għal silikon monokristali ultra-pur permezz tal-proċess Czochralski.
Biex tagħmel dan, il-polysilicon huwa mdewweb f'griġjol fi 1425 ° C (2597 ° F) f'atmosfera inerta. Il-kristall taż-żerriegħa mmuntat fuq il-virga mbagħad jiddawwar fil-metall imdewweb u jduru u jitneħħa bil-mod, u jagħti żmien biex is-silikon jikber fuq il-materjal taż-żerriegħa.
Il-prodott li jirriżulta huwa virga (jew bule) ta 'metall tas-silikon tal-kristall wieħed li jista' jkun għoli daqs 99.999999999 (11N) fil-mija pur. Din il-virga tista 'tiġi dopjata bil-boron jew bil-fosfru kif meħtieġ biex titnaqqas il-proprjetajiet mekkaniċi quantum kif meħtieġ.
Il-virga tal-monokristall tista 'tintbagħat lill-klijenti kif inhi, jew tinqata' f'wafers u tkun illustrata jew imwebbes għal utenti speċifiċi.
Applikazzjonijiet:
Filwaqt li madwar għaxar miljun tunnellata metrika ta 'ferrosilicon u metall tas-silikon huma raffinati kull sena, il-maġġoranza tas-silikon użat kummerċjalment fil-fatt huwa fil-forma ta' minerali tas-silikon, li jintużaw fil-manifattura ta 'kollox mis-siment, it-tikħil u ċ-ċeramika, polimeri.
Il-ferrosilicon, kif innutat, huwa l-aktar forma użata ta 'silikon metalliku. Mill-ewwel użu tiegħu madwar 150 sena ilu, il-ferrosilicon baqa 'aġent deoxidizing importanti fil-produzzjoni tal-karbonju u l- azzar li ma jissaddadx . Illum, it-tidwib tal-azzar jibqa 'l-akbar konsumatur tal-ferrosilicon.
Il-ferrosilicon għandu numru ta 'użi lil hinn mill-iffurmar tal-azzar. Huwa pre-liga fil-produzzjoni ta 'ferrosilicon tal- manjeżju , nodulizer użat biex jipproduċi ħadid duttili, kif ukoll matul il-proċess ta' Pidgeon għar-raffinar ta 'manjeżju ta' purità għolja.
Il-ferrosilicon jista 'jintuża wkoll biex jagħmel ligi tas-silikon ferruż reżistenti għas-sħana u l- korrużjoni kif ukoll l-azzar tas-silikon, li jintuża fil-manifattura ta' muturi elettromanjetiċi u qlub tal-transformers.
Is-silikon metallurġiku jista 'jintuża fit-tiswir ta' l-azzar kif ukoll bħala aġent tal-liga fil-ikkastjar ta 'l-aluminju. Il-partijiet tal-karozzi aluminju-silikon (Al-Si) huma ħfief u aktar b'saħħithom minn komponenti mitfugħa minn aluminju pur. Il-partijiet tal-karozzi bħall-blokki tal-magna u r-rimmijiet tat-tajers huma wħud mill-aktar partijiet tal-aluminju tal-aluminju mitfugħa.
Kważi nofs is-silikon metallurġiku kollu jintuża mill-industrija kimika biex tagħmel silika mdendla (aġent li jħaxxen u dessikant), silani (aġent ta 'akkoppjament) u silikon (sustanzi siġillanti, adeżivi u lubrikanti).
Il-polysilicon tal-grad fotovoltiku jintuża primarjament biex isiru ċelloli solari polysilicon. Madwar ħames tunnellati ta 'polysilicon huma meħtieġa biex jagħmlu megawatt wieħed ta' moduli solari.
Bħalissa, it-teknoloġija solari polysilicon tammonta għal aktar minn nofs l-enerġija solari prodotta globalment, filwaqt li t-teknoloġija monosilicon tikkontribwixxi madwar 35 fil-mija. B'kollox, 90 fil-mija tal-enerġija solari użata mill-bnedmin tinġabar b'teknoloġija bbażata fuq is-silikon.
Is-silikon monokristali huwa wkoll materjal kritiku tas-semikondutturi li jinstab fl-elettronika moderna. Bħala materjal ta 'sottostrat użat fil-produzzjoni ta' transisters ta 'effett fuq il-post (FETs), LEDs u ċirkuwiti integrati, is-silikon jista' jinstab f'ħafna kompjuters, telefowns ċellulari, pilloli, televixins, radjijiet u apparat moderni ta 'komunikazzjoni.
Huwa stmat li aktar minn terz tal-mezzi elettroniċi kollha fihom teknoloġija tas-semikondutturi bbażata fuq is-silikon.
Fl-aħħarnett, il-karbur tas-silikon tal-liga iebsa jintuża f'varjetà ta 'applikazzjonijiet elettroniċi u mhux elettroniċi, inklużi dehbijiet sintetiċi, semikondutturi b'temperatura għolja, ċeramika iebsa, għodod tal-qtugħ, diski tal-brejk, abrażivi,
Sorsi:
Storja qasira tal-Ligi tal-Azzar u l-Produzzjoni tal-Ferroalloy.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri u Seppo Louhenkilpi. El
Fuq ir-Rwol tal-Ferroalloys fit-Tisħin tal-Azzar. 9-13 ta 'Ġunju, 2013. It-tlettax-il Kungress Internazzjonali tal-Ferroalloys. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Segwi Terence fuq Google+