Een blik op het halfmetalen silicium
Silicium metaal is een grijs en glanzend halfgeleidend metaal dat wordt gebruikt voor de productie van staal, zonnecellen en microchips.
Silicium 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 atoomnummer 14 komt van nature voor in silicaatmineralen, waaronder silica, veldspaat en mica, die belangrijke componenten zijn van gangbare gesteenten zoals kwarts en zandsteen.
Een semi-metaal (of metalloïde ) silicium bezit enkele eigenschappen van zowel metalen als niet-metalen.
Net als water - maar in tegenstelling tot de meeste metalen - samentrekt silicium in vloeibare vorm en expandeert als het stolt. Het heeft relatief hoge smelt- en kookpunten en vormt na kristallisatie een diamantachtige kristalstructuur.
Kritiek op de rol van silicium als halfgeleider en het gebruik ervan in elektronica is de atomaire structuur van het element, die vier valentie-elektronen bevat waarmee silicium zich gemakkelijk met andere elementen kan verbinden.
eigenschappen:
- Atoom symbool: Si
- Atoomnummer: 14
- Elementcategorie: Metalloid
- Dichtheid: 2,329 g / cm3
- Smeltpunt: 2577 ° F (1414 ° C)
- Kookpunt: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moh's hardheid: 7
Geschiedenis:
De Zweedse chemicus Jons Jacob Berzerlius wordt beschouwd als de eerste isolerende silicium in 1823. Berzerlius heeft dit bereikt door het verhitten van metaalkalium (dat slechts een decennium eerder was geïsoleerd) in een smeltkroes samen met kaliumfluorsilicaat.
Het resultaat was amorf silicium.
Het maken van kristallijn silicium kostte echter meer tijd. Een elektrolytisch monster van kristallijn silicium zou nog geen drie decennia gemaakt zijn.
Het eerste gecommercialiseerde gebruik van silicium was in de vorm van ferrosilicium.
In navolging van Henry Bessemer's modernisering van de staalindustrie in het midden van de 19e eeuw, was er grote belangstelling voor staalmetallurgie en onderzoek in staalproductie technieken.
Tegen de tijd van de eerste industriële productie van ferrosilicium in de jaren 1880, was het belang van silicium voor het verbeteren van ductiliteit in ruwijzer en deoxidatie van staal redelijk goed begrepen.
Vroege productie van ferrosilicium vond plaats in hoogovens door het reduceren van siliciumhoudende ertsen met houtskool, wat resulteerde in zilverachtig ruw ijzer, een ferrosilicium met een siliciumgehalte tot 20 procent.
De ontwikkeling van elektrische vlamboogovens aan het begin van de 20e eeuw maakte niet alleen een grotere staalproductie mogelijk , maar ook meer ferrosiliciumproductie.
In 1903 startte een groep die gespecialiseerd was in het maken van de ferrolegering (Compagnie Generate d'Electrochimie) in Duitsland, Frankrijk en Oostenrijk en in 1907 werd de eerste commerciële siliciumfabriek in de VS opgericht.
Staalproductie was niet de enige toepassing voor siliciumverbindingen die voor het einde van de 19e eeuw op de markt werden gebracht.
Voor de productie van kunstdiamanten in 1890 verwarmde Edward Goodrich Acheson aluminiumsilicaat met poedervormige cokes en produceerde incidenteel siliciumcarbide (SiC).
Drie jaar later had Acheson zijn productiemethode gepatenteerd en Carborundum Company opgericht (carborundum was destijds de algemene naam voor siliciumcarbide) met het doel abrasieve producten te maken en te verkopen.
Aan het begin van de 20e eeuw waren de geleidende eigenschappen van siliciumcarbide ook gerealiseerd en de verbinding werd gebruikt als een detector in vroege scheepsradio's. Een patent voor siliciumkristaldetectoren werd in 1906 aan GW Pickard verleend.
In 1907 werd de eerste lichtemitterende diode (LED) gemaakt door spanning aan te brengen op een siliciumcarbidekristal.
Door de jaren '30 groeide het gebruik van silicium met de ontwikkeling van nieuwe chemische producten, waaronder silanen en siliconen.
De groei van elektronica in de afgelopen eeuw is ook onlosmakelijk verbonden met silicium en zijn unieke eigenschappen.
Terwijl de creatie van de eerste transistors - de voorlopers van moderne microchips - in de jaren veertig afhankelijk was van germanium , duurde het niet lang voordat silicium zijn metalloïde neef verdrong als een duurzamer substraat halfgeleidermateriaal.
Bell Labs en Texas Instruments begonnen in 1954 met het produceren van op silicium gebaseerde transistors.
De eerste silicium-geïntegreerde schakelingen werden gemaakt in de jaren zestig en in de jaren zeventig waren siliciumbevattende processors ontwikkeld.
Aangezien op silicium gebaseerde halfgeleidertechnologie de ruggengraat vormt van moderne elektronica en informatica, hoeft het geen verrassing te zijn dat we het knooppunt van activiteit voor deze sector noemen als 'Silicon Valley'.
(Voor een gedetailleerde kijk op de geschiedenis en ontwikkeling van Silicon Valley en microchip-technologie, beveel ik ten zeerste de Amerikaanse ervaringsdocumentaire Silicon Valley aan).
Niet lang na de onthulling van de eerste transistors leidde Bell Labs 'werk met silicium in 1954 tot een tweede grote doorbraak: de eerste silicium fotovoltaïsche (zonnecel) cel.
Voorafgaand hieraan werd de gedachte om energie uit de zon te benutten om macht op aarde te creëren volgens de meeste mensen onmogelijk. Maar slechts vier jaar later, in 1958, draaide de eerste satelliet met siliciumzonnecellen om de aarde.
In de jaren zeventig waren commerciële toepassingen voor zonnetechnologieën uitgegroeid tot toepassingen op het land, zoals het aandrijven van verlichting op offshore olieplatforms en spoorwegovergangen.
In de afgelopen twee decennia is het gebruik van zonne-energie exponentieel gegroeid. Tegenwoordig zijn op silicium gebaseerde fotovoltaïsche technologieën goed voor ongeveer 90 procent van de wereldwijde markt voor zonne-energie.
Productie:
Het grootste deel van het silicium dat elk jaar wordt geraffineerd - ongeveer 80 procent - wordt geproduceerd als ferrosilicium voor gebruik bij de productie van ijzer en staal . Ferrosilicium kan tussen 15 en 90 procent silicium bevatten, afhankelijk van de vereisten van de smelter.
De legering van ijzer en silicium wordt geproduceerd met behulp van een ondergedompelde vlamboogoven via reductiesmelt. Silica-rijk erts en een koolstofbron zoals cokeskool (metallurgische kolen) worden samen met schroot in de oven geplet en geladen.
Bij temperaturen boven 1900 ° C (3450 ° F) reageert koolstof met de zuurstof in het erts, waardoor koolmonoxidegas wordt gevormd. Het overblijvende ijzer en silicium worden vervolgens gecombineerd om gesmolten ferrosilicium te maken, dat kan worden verzameld door op de bodem van de oven te tikken.
Eenmaal afgekoeld en uitgehard, kan het ferrosilicium vervolgens worden verscheept en direct worden gebruikt in de ijzer- en staalproductie.
Dezelfde methode, zonder de toevoeging van ijzer, wordt gebruikt om silicium van metallurgische kwaliteit te produceren dat meer dan 99 procent zuiver is. Metallurgisch silicium wordt ook gebruikt in het smelten van staal, evenals de productie van aluminiumgietlegeringen en silaanchemicaliën.
Metallurgisch silicium wordt geclassificeerd door de verontreinigingsniveaus van ijzer, aluminium en calcium aanwezig in de legering. 553 siliciummetaal bevat bijvoorbeeld minder dan 0,5 procent van elk ijzer en aluminium en minder dan 0,3 procent calcium.
Ongeveer 8 miljoen metrische tonnen ferrosilicium worden elk jaar wereldwijd geproduceerd, met China goed voor ongeveer 70 procent van dit totaal. Grote producenten zijn Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials en Elkem.
Een extra 2,6 miljoen metrische ton metallurgisch silicium - of ongeveer 20 procent van het totale geraffineerde siliciummetaal - wordt jaarlijks geproduceerd. China is opnieuw goed voor ongeveer 80 procent van deze output.
Een verrassing voor velen is dat solaire en elektronische soorten silicium slechts een kleine hoeveelheid (minder dan twee procent) van alle geraffineerde siliciumproductie uitmaken.
Om te upgraden naar siliciummetaal van siliciumkwaliteit (polysilicium), moet de zuiverheid toenemen tot 99,9999% (6N) zuiver silicium. Dit gebeurt via een van de drie methoden, waarvan het meest gangbare het Siemens-proces is.
Het Siemens-proces omvat chemische dampafzetting van een vluchtig gas dat bekend staat als trichloorsilaan. Bij 1150 ° C (2102 ° F) wordt trichloorsilaan over een siliciumzaad van hoge zuiverheid dat aan het uiteinde van een staaf is gemonteerd, geblazen. Tijdens het passeren wordt silicium van hoge zuiverheid uit het gas op het zaad afgezet.
Fluid bed reactor (FBR) en verbeterde siliciumtechnologie van metallurgische kwaliteit (UMG) worden ook gebruikt om het metaal tot polysilicium te verbeteren dat geschikt is voor de fotovoltaïsche industrie.
In 2013 werd 230.000 metrische ton polysilicium geproduceerd. Toonaangevende producenten zijn GCL Poly, Wacker-Chemie en OCI.
Om ten slotte silicium geschikt voor de halfgeleiderindustrie en bepaalde fotovoltaïsche technologieën geschikt te maken, moet polysilicium via het Czochralski-proces worden omgezet in een ultrazuiver monokristallijn silicium.
Om dit te doen, wordt het polysilicium gesmolten in een smeltkroes bij 1425 ° C (2597 ° F) in een inerte atmosfeer. Een staafgemonteerd entkristal wordt vervolgens in het gesmolten metaal gedompeld en langzaam geroteerd en verwijderd, waardoor het silicium de tijd krijgt om op het zaadmateriaal te groeien.
Het resulterende product is een staaf (of boule) van monokristallijn siliciummetaal dat zo hoog kan zijn als 99,9999999999 (11N) procent zuiver. Deze staaf kan worden gedoteerd met boor of fosfor zoals vereist om de kwantummechanische eigenschappen naar behoefte aan te passen.
De eenkristal staaf kan naar klanten worden verzonden zoals deze is, of in plakken worden gesneden en gepolijst of getextureerd voor specifieke gebruikers.
toepassingen:
Terwijl ruwweg tien miljoen ton ferrosilicium en siliciummetaal elk jaar worden verfijnd, bestaat het overgrote deel van het commercieel gebruikte silicium in de vorm van siliciummineralen, die worden gebruikt voor de productie van alles, van cement, mortels en keramiek tot glas en polymeren.
Ferrosilicium, zoals opgemerkt, is de meest gebruikte vorm van metallisch silicium. Sinds het eerste gebruik ongeveer 150 jaar geleden, is ferrosilicium een belangrijk desoxiderend middel gebleven bij de productie van koolstof en roestvrij staal . Vandaag de dag blijft staalsmelten de grootste verbruiker van ferrosilicium.
Ferrosilicium heeft echter een aantal andere toepassingen dan de staalproductie. Het is een pre-legering in de productie van magnesiumferrosilicium , een nodulair gietijzer dat wordt gebruikt om nodulair gietijzer te produceren, evenals tijdens het Pidgeon-proces voor het zuiveren van zeer zuiver magnesium.
Ferrosilicium kan ook worden gebruikt voor het maken van hitte- en corrosiebestendige ferrosiliciumlegeringen en siliciumstaal, dat wordt gebruikt bij de fabricage van elektromotoren en transformatorkernen.
Metallurgisch silicium kan worden gebruikt bij de staalproductie en als een legeringsmiddel in aluminium gieten. Aluminium-silicium (Al-Si) auto-onderdelen zijn lichtgewicht en sterker dan componenten gegoten uit zuiver aluminium. Auto-onderdelen zoals motorblokken en bandvelgen zijn enkele van de meest gebruikte aluminium gegoten siliciumdelen.
Bijna de helft van al het metallurgische silicium wordt door de chemische industrie gebruikt om pyrogeen silica (een verdikkingsmiddel en droogmiddel), silanen (een koppelingsmiddel) en siliconen (afdichtingsmiddelen, kleefmiddelen en smeermiddelen) te maken.
Polysilicium van fotovoltaïsche kwaliteit wordt voornamelijk gebruikt bij het maken van polysiliciumzonnecellen. Er is ongeveer vijf ton polysilicium nodig om een megawatt aan zonnemodules te maken.
Op dit moment is polysilicium zonne-energie goed voor meer dan de helft van de wereldwijd geproduceerde zonne-energie, terwijl monosiliciumtechnologie ongeveer 35 procent bijdraagt. In totaal wordt 90 procent van de zonne-energie die mensen gebruiken verzameld door op silicium gebaseerde technologie.
Monokristallijn silicium is ook een kritisch halfgeleidermateriaal dat wordt aangetroffen in moderne elektronica. Als een substraatmateriaal dat wordt gebruikt voor de productie van veldeffecttransistors (FET's), LED's en geïntegreerde circuits, kan silicium worden gevonden op vrijwel alle computers, mobiele telefoons, tablets, televisies, radio's en andere moderne communicatieapparaten.
Geschat wordt dat meer dan een derde van alle elektronische apparaten op silicium gebaseerde halfgeleidertechnologie bevat.
Ten slotte wordt de harde legering siliciumcarbide gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische en niet-elektronische toepassingen, waaronder synthetische sieraden, halfgeleiders met hoge temperatuur, harde keramische materialen, snijgereedschappen, remschijven, schuurmiddelen, kogelvrije vesten en verwarmingselementen.
bronnen:
Een korte geschiedenis van de productie van staallegeringen en ijzerlegeringen.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri en Seppo Louhenkilpi.
Over de rol van Ferro-legeringen in de staalproductie. 9-13 juni, 2013. Het dertiende internationale congres van Ferroalloys. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Volg Terence op Google+