Egenskapene og bruken av silisiummetall

Balansen/Terence Bell

Silisiummetall er et grått og skinnende halvledende metall som brukes til å produsere stål, solceller og mikrobrikker. Silisium er det nest vanligste grunnstoffet i jordskorpen (bak kun oksygen) og det åttende vanligste grunnstoffet i universet. Nesten 30 prosent av vekten av jordskorpen kan tilskrives silisium.

Grunnstoffet med atomnummer 14 forekommer naturlig i silikatmineraler, inkludert silika, feltspat og glimmer, som er hovedkomponenter i vanlige bergarter som kvarts og sandstein. Et halvmetall (eller metalloid ), har silisium noen egenskaper av både metaller og ikke-metaller.

Som vann - men i motsetning til de fleste metaller - trekker silisium seg sammen i flytende tilstand og utvider seg etter hvert som det stivner. Den har relativt høye smelte- og kokepunkter, og når den krystalliseres danner den en diamantkubisk krystallstruktur. Kritisk for silisiums rolle som halvleder og dets bruk i elektronikk er elementets atomstruktur, som inkluderer fire valenselektroner som lar silisium lett binde seg til andre elementer.

Eiendommer

• Atomsymbol: Ja
• Atomnummer: 14
• Elementkategori: Metalloid
• Tetthet: 2,329 g/cm3
• Smeltepunkt: 2577 °F (1414 °C)
• Kokepunkt: 5909 °F (3265 °C)
• Mohs hardhet: 7

Historie

Den svenske kjemikeren Jons Jacob Berzerlius er kreditert med første isolering av silisium i 1823. Berzerlius oppnådde dette ved å varme opp metallisk kalium (som bare hadde blitt isolert et tiår tidligere) i en digel sammen med kaliumfluorsilikat. Resultatet ble amorft silisium.

Å lage krystallinsk silisium krevde imidlertid mer tid. En elektrolytisk prøve av krystallinsk silisium ville ikke bli laget før om tre tiår. Den første kommersialiserte bruken av silisium var i form av ferrosilisium.

Etter Henry Bessemers modernisering av stålindustrien på midten av 1800-tallet var det stor interesse for stål metallurgi og forskning innen stålfremstillingsteknikker. På tidspunktet for den første industrielle produksjonen av ferrosilisium på 1880-tallet, var viktigheten av silisium for å forbedre duktilitet i gris jern og deoksiderende stål var ganske godt forstått.

Tidlig produksjon av ferrosilisium ble gjort i masovner ved å redusere silisiumholdige malmer med trekull, noe som resulterte i sølvaktig råjern, et ferrosilisium med opptil 20 prosent silisiuminnhold.

Utviklingen av lysbueovner på begynnelsen av 1900-tallet tillot ikke bare større stålproduksjon, men også mer ferrosilisiumproduksjon. I 1903 startet en gruppe som spesialiserte seg på å lage ferrolegeringen (Compagnie Generate d'Electrochimie) virksomhet i Tyskland, Frankrike og Østerrike, og i 1907 ble det første kommersielle silisiumanlegget i USA grunnlagt.

Stålproduksjon var ikke den eneste applikasjonen for silisiumforbindelser som ble kommersialisert før slutten av 1800-tallet. For å produsere kunstige diamanter i 1890 oppvarmet Edward Goodrich Acheson aluminiumsilikat med pulverisert koks og produserte for øvrig silisiumkarbid (SiC).

Tre år senere hadde Acheson patentert produksjonsmetoden sin og grunnla Carborundum Company (karborundum var det vanlige navnet på silisiumkarbid på den tiden) med det formål å lage og selge slipeprodukter.

På begynnelsen av 1900-tallet hadde silisiumkarbidens ledende egenskaper også blitt realisert, og forbindelsen ble brukt som en detektor i tidlige skipsradioer. Et patent på silisiumkrystalldetektorer ble gitt til GW Pickard i 1906.

I 1907 ble den første lysemitterende dioden (LED) opprettet ved å legge spenning på en silisiumkarbidkrystall. Gjennom 1930-årene vokste silisiumbruken med utviklingen av nye kjemiske produkter, inkludert silaner og silikoner. Veksten av elektronikk det siste århundret har også vært uløselig knyttet til silisium og dets unike egenskaper.

Mens etableringen av de første transistorene - forløperne til moderne mikrobrikker - på 1940-tallet var avhengig av germanium , tok det ikke lang tid før silisium erstattet sin metalloid-fetter som et mer holdbart substrat-halvledermateriale. Bell Labs og Texas Instruments begynte kommersielt å produsere silisiumbaserte transistorer i 1954.

De første integrerte silisiumkretsene ble laget på 1960-tallet, og på 1970-tallet var silisiumholdige prosessorer blitt utviklet. Gitt at silisiumbasert halvlederteknologi danner ryggraden i moderne elektronikk og databehandling, bør det ikke være noen overraskelse at vi refererer til sentrum av aktiviteten for denne industrien som 'Silicon Valley.'

(For en detaljert titt på historien og utviklingen til Silicon Valley og mikrobrikketeknologi, anbefaler jeg på det sterkeste American Experience-dokumentaren med tittelen Silicon Valley). Ikke lenge etter avdukingen av de første transistorene, førte Bell Labs arbeid med silisium til et andre stort gjennombrudd i 1954: Den første fotovoltaiske (solcelle) silisiumcellen.

Før dette ble tanken på å utnytte energi fra solen for å skape kraft på jorden antatt umulig av de fleste. Men bare fire år senere, i 1958, var den første satellitten drevet av silisiumsolceller i bane rundt jorden.

På 1970-tallet hadde kommersielle applikasjoner for solteknologi vokst til terrestriske applikasjoner som å drive belysning på offshore oljerigger og jernbaneoverganger. I løpet av de siste to tiårene har bruken av solenergi vokst eksponentielt. I dag står silisiumbaserte fotovoltaiske teknologier for rundt 90 prosent av det globale solenergimarkedet.

Produksjon

Størstedelen av silisium som raffineres hvert år - om lag 80 prosent - produseres som ferrosilisium for bruk i jern og stållaging . Ferrosilisium kan inneholde alt mellom 15 og 90 prosent silisium avhengig av kravene til smelteverket.

De legering av jern og silisium produseres ved hjelp av en nedsenket lysbueovn via reduksjonssmelting. Silikarik malm og en karbonkilde som kokskull (metallurgisk kull) knuses og lastes inn i ovnen sammen med skrapjern.

Ved temperaturer over 1900 ° C (3450 ° F), reagerer karbon med oksygenet som er tilstede i malmen, og danner karbonmonoksidgass. Det gjenværende jernet og silisiumet kombineres i mellomtiden for å lage smeltet ferrosilisium, som kan samles opp ved å banke på bunnen av ovnen. Når ferrosilisiumet er avkjølt og herdet, kan det sendes og brukes direkte i jern- og stålproduksjon.

Den samme metoden, uten inkludering av jern, brukes til å produsere metallurgisk silisium som er mer enn 99 prosent rent. Metallurgisk silisium brukes også i stålsmelting, samt produksjon av støpte aluminiumslegeringer og silankjemikalier.

Metallurgisk silisium er klassifisert etter urenhetsnivåene i jern, aluminium og kalsium tilstede i legeringen. For eksempel inneholder 553 silisiummetall mindre enn 0,5 prosent av hvert jern og aluminium, og mindre enn 0,3 prosent kalsium.

Omtrent 8 millioner metriske tonn ferrosilisium produseres hvert år globalt, med Kina som står for rundt 70 prosent av denne totalen. Store produsenter inkluderer Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials og Elkem.

Ytterligere 2,6 millioner metriske tonn metallurgisk silisium - eller omtrent 20 prosent av totalt raffinert silisiummetall - produseres årlig. Kina, igjen, står for rundt 80 prosent av denne produksjonen. En overraskelse for mange er at solenergi og elektronisk silisiumkvalitet utgjør bare en liten mengde (mindre enn to prosent) av all raffinert silisiumproduksjon. For å oppgradere til silisiummetall (polysilisium) av solenergi, må renheten øke til oppover 99,9999 % (6N) rent silisium. Det gjøres via en av tre metoder, den vanligste er Siemens-prosessen.

Siemens-prosessen involverer kjemisk dampavsetning av en flyktig gass kjent som triklorsilan. Klokken 1150 ° C (2102 ° F) triklorsilan blåses over et silisiumfrø med høy renhet montert på enden av en stang. Når den passerer over, avsettes høyrent silisium fra gassen på frøet.

Fluid bed-reaktor (FBR) og oppgradert metallurgisk kvalitet (UMG) silisiumteknologi brukes også for å forbedre metallet til polysilisium som er egnet for fotovoltaisk industri. To hundre og tretti tusen metriske tonn polysilisium ble produsert i 2013. Ledende produsenter inkluderer GCL Poly, Wacker-Chemie og OCI.

Til slutt, for å gjøre silisium av elektronikkkvalitet egnet for halvlederindustrien og visse fotovoltaiske teknologier, må polysilisium omdannes til ultrarent monokrystallsilisium via Czochralski-prosessen. For å gjøre dette smeltes polysilisiumet i en digel ved 1425 ° C (2597 ° F) i en inert atmosfære. En stangmontert frøkrystall blir deretter dyppet i det smeltede metallet og sakte rotert og fjernet, noe som gir tid for silisiumet å vokse på frømaterialet.

Det resulterende produktet er en stav (eller bolle) av enkrystall silisiummetall som kan være så høy som 99,999999999 (11N) prosent ren. Denne stangen kan være dopet med bor eller fosfor etter behov for å justere de kvantemekaniske egenskapene etter behov. Monokrystallstangen kan sendes til kunder som den er, eller kuttes i skiver og poleres eller struktureres for spesifikke brukere.

applikasjoner

Mens omtrent ti millioner metriske tonn ferrosilisium og silisiummetall raffineres hvert år, er det meste av silisium som brukes kommersielt i form av silisiummineraler, som brukes til fremstilling av alt fra sement, mørtel og keramikk, til glass og polymerer.

Ferrosilisium, som nevnt, er den mest brukte formen for metallisk silisium. Siden den første gang ble brukt for rundt 150 år siden, har ferrosilisium forblitt et viktig deoksidasjonsmiddel i produksjonen av karbon og rustfritt stål . I dag er stålsmelting fortsatt den største forbrukeren av ferrosilisium.

Ferrosilisium har imidlertid en rekke bruksområder utover stålproduksjon. Det er en forlegering i produksjon av magnesium ferrosilisium, en nodulizer som brukes til å produsere duktilt jern, samt under Pidgeon-prosessen for raffinering av høyrent magnesium. Ferrosilisium kan også brukes til å lage varme ogkorrosjonmotstandsdyktige jernholdige silisiumlegeringer samt silisiumstål, som brukes til fremstilling av elektromotorer og transformatorkjerner.

Metallurgisk silisium kan brukes i stålfremstilling så vel som et legeringsmiddel i aluminiumsstøping. Aluminium-silisium (Al-Si) bildeler er lette og sterkere enn komponenter støpt av rent aluminium. Bildeler som motorblokker og dekkfelger er noen av de mest støpte silisiumdelene i aluminium.

Nesten halvparten av alt metallurgisk silisium brukes av den kjemiske industrien til å lage pyrogen silika (et fortykningsmiddel og tørkemiddel), silaner (et koblingsmiddel) og silikon (forseglingsmidler, lim og smøremidler). Fotovoltaisk polysilisium brukes først og fremst til fremstilling av polysilisiumsolceller. Omtrent fem tonn polysilisium trengs for å lage én megawatt med solcellemoduler.

Foreløpig står polysilisium solenergiteknologi for mer enn halvparten av solenergien som produseres globalt, mens monosilisiumteknologi bidrar med omtrent 35 prosent. Totalt blir 90 prosent av solenergien som brukes av mennesker samlet inn av silisiumbasert teknologi.

Monokrystall silisium er også et kritisk halvledermateriale som finnes i moderne elektronikk. Som et substratmateriale som brukes i produksjonen av felteffekttransistorer (FET), lysdioder og integrerte kretser, kan silisium finnes i praktisk talt alle datamaskiner, mobiltelefoner, nettbrett, fjernsyn, radioer og andre moderne kommunikasjonsenheter. Det er anslått at mer enn en tredjedel av alle elektroniske enheter inneholder silisiumbasert halvlederteknologi.

Til slutt brukes den harde legeringen av silisiumkarbid i en rekke elektroniske og ikke-elektroniske applikasjoner, inkludert syntetiske smykker, høytemperaturhalvledere, hard keramikk, skjæreverktøy, bremseskiver, slipemidler, skuddsikre vester og varmeelementer.

Kilder:

En kort historie om stållegering og ferrolegeringsproduksjon.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri og Seppo Louhenkilpi.

Om rollen til ferrolegeringer i stålproduksjon. 9.-13. juni 2013. Den trettende internasjonale ferrolegeringskongressen. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf