Yarı metal silikona bir bakış
Silikon metal, çelik, güneş pilleri ve mikroçipler üretmek için kullanılan gri ve parlak yarı iletken bir metaldir.
Silikon, yer kabuğundaki (sadece oksijenin arkasında) ve evrendeki sekizinci en yaygın element olan ikinci en bol elementtir. Aslında, dünya kabuğunun ağırlığının yaklaşık yüzde 30'u silikondan kaynaklanabilir.
Atom numarası 14 olan element, silika, feldispat ve mika dahil olmak üzere silikat minerallerinde, kuvars ve kumtaşı gibi yaygın kayaçların ana bileşenleri olan doğal olarak oluşur.
Bir yarı metal (veya metaloit ), silikon hem metallerin hem de metal olmayanların bazı özelliklerine sahiptir.
Su gibi - ama çoğu metalden farklı olarak - silikon halleri sıvı halde ve katılaştıkça genişler. Göreceli olarak yüksek erime ve kaynama noktalarına sahiptir ve kristalleştirildiğinde bir elmas kübik kristal yapı oluşturur.
Silisyumun yarıiletken rolü ve elektronikte kullanımı, elementin atomik yapısıdır ve silikonun diğer elementlerle kolayca bağlanmasına izin veren dört valans elektronunu içerir.
Özellikleri:
- Atomik Sembol: Si
- Atom Numarası: 14
- Eleman kategorisi: Metalloid
- Yoğunluk: 2.329g / cm3
- Erime Noktası: 2577 ° F (1414 ° C)
- Kaynama Noktası: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moh Sertliği: 7
Tarihçe:
İsveçli kimyager Jons Jacob Berzerlius, 1823 yılında ilk yalıtkan silikon ile kredilendirilmiştir. Berzerlius bunu potasyum florosilikat ile birlikte bir potada metalik potasyum (sadece on yıl önce izole edilmiş) ısıtmak suretiyle başarmıştır.
Sonuç, amorf silikondu.
Bununla birlikte, kristalli silikon yapmak daha fazla zaman gerektiriyordu. Kristalin silisyumun bir elektrolitik numunesi, bir başka otuz yıl için yapılmayacaktır.
Silikonun ilk ticari kullanımı ferrosilikon formundaydı.
Henry Bessemer'in 19. yüzyılın ortalarında çelik endüstrisinin modernizasyonunu takiben, çelik metalurjisi ve çelik üretim tekniklerinde araştırmalar büyük ilgi gördü.
1880'lerde ilk endüstriyel ferrosilikon üretimi sırasında, pik demir ve deoksidasyon yapan çelikte sünekliği iyileştirmede silikonun önemi oldukça iyi anlaşılmıştır.
Ferrosilikonun erken üretimi, kömür içeren silikon içeren cevherleri indirgeyerek yüksek fırınlarda yapıldı; bu, gümüş pik demir, yüzde 20'ye kadar silikon içeriğine sahip bir ferrosilikon ile sonuçlandı.
20. yüzyılın başlarında elektrik ark ocaklarının gelişimi sadece daha fazla çelik üretiminin değil , aynı zamanda daha fazla ferrosilikon üretimine izin verdi.
1903'te ferroalyaj (Compagnie Generate d'Electrochimie) yapımında uzmanlaşmış bir grup Almanya, Fransa ve Avusturya'da faaliyete başladı ve 1907'de ABD'deki ilk ticari silikon fabrikası kuruldu.
Çelik üretimi, 19. yüzyılın sonundan önce ticarileştirilmiş silikon bileşikleri için tek uygulama değildi.
1890'da yapay elmaslar üretmek için, Edward Goodrich Acheson, toz haline getirilmiş kola ve tesadüfen üretilen silisyum karbür (SiC) ile ısıtılmış alüminyum silikat.
Üç yıl sonra Acheson üretim yöntemini patentlemiş ve aşındırıcı ürünler yapmak ve satmak amacıyla Carborundum Company'yi (o zamanlar silisyum karbür için ortak adı olan carborundum) kurmuştur.
20. yüzyılın başlarında, silisyum karbürün iletken özellikleri de gerçekleştirilmiş ve bileşik, erken gemi radyolarında bir detektör olarak kullanılmıştır. 1906 yılında GW Pickard'a silikon kristal dedektörler için bir patent verilmiştir.
1907'de, ilk ışık yayan diyot (LED) bir silisyum karbür kristaline voltaj uygulanarak yaratıldı.
1930'lar boyunca silikon kullanımı silanlar ve silikonlar dahil olmak üzere yeni kimyasal ürünlerin geliştirilmesi ile büyüdü.
Geçtiğimiz yüzyılda elektroniklerin büyümesi aynı zamanda ayrılmaz bir şekilde silikon ve kendine özgü özellikleriyle de bağlantılıdır.
İlk transistörlerin - modern mikroçiplerin öncüleri - 1940'larda germanyuma dayanıyorken, silikon daha dayanıklı bir substrat yarı iletken malzeme olarak metalloid kuzeni yerine koymadan çok uzun sürmedi.
Bell Labs ve Texas Instruments, 1954'te ticari olarak silikon bazlı transistörler üretmeye başladı.
İlk silikon entegre devreler 1960'larda yapıldı ve 1970'lerde silikon içeren işlemciler geliştirildi.
Silikon bazlı yarı iletken teknolojisinin modern elektroniklerin ve bilgisayarların omurgasını oluşturduğu düşünüldüğünde, bu sektörün faaliyet alanına “Silikon Vadisi” adını verdiğimiz için sürpriz olmamalı.
(Silikon Vadisi ve mikroçip teknolojisinin tarihçesi ve gelişimi hakkında detaylı bilgi için Silikon Vadisi başlıklı Amerikan Deneyimi belgesini tavsiye ederim).
İlk transistörleri piyasaya sürdükten kısa bir süre sonra, Bell Labs'ın silikonlu çalışması 1954 yılında ikinci büyük bir atılım gerçekleştirdi: İlk silikon fotovoltaik (güneş) hücresi.
Bundan önce, enerjiyi güneşten dünyaya güç yaratmak için harcadığı düşüncesi, çoğu kez imkansız olduğuna inanılıyordu. Ama sadece dört yıl sonra, 1958'de, silikon güneş pilleri tarafından beslenen ilk uydu, dünyayı çevreliyordu.
1970'lerde, güneş teknolojilerine yönelik ticari uygulamalar, açık deniz petrol kuleleri ve demiryolu geçişleri üzerindeki aydınlatma gücü gibi karasal uygulamalara dönüşmüştür.
Son yirmi yılda, güneş enerjisinin kullanımı katlanarak büyümüştür. Bugün, silikon bazlı fotovoltaik teknolojiler, küresel güneş enerjisi pazarının yaklaşık yüzde 90'ını oluşturmaktadır.
Üretim:
Her yıl rafine edilmiş silikonun çoğunluğu - yaklaşık yüzde 80 - demir ve çelik üretiminde kullanılmak üzere ferrosilikon olarak üretilmektedir. Ferrosilikon, içeceğin gereksinimlerine bağlı olarak yüzde 15 ila 90 arasında herhangi bir yerde silikon içerebilir.
Demir ve silisyum alaşımı , indirgeme ergitme yoluyla bir batık elektrik ark ocağı kullanılarak üretilir. Silika zengin cevheri ve koklaşabilir taş kömürü gibi bir karbon kaynağı (metalurjik kömür) kırılarak hurda demir ile birlikte fırına yüklenir.
1900 ° C (3450 ° F) üzerindeki sıcaklıklarda, karbon, karbon monoksit gazı oluşturan, cevherde bulunan oksijen ile reaksiyona girer. Bu arada, kalan demir ve silikon, daha sonra, fırının tabanına dokunarak toplanabilen erimiş ferrosilikon yapmak üzere bir araya getirilir.
Soğutulduktan ve sertleştikten sonra ferrosilikon daha sonra doğrudan demir ve çelik imalatında sevk edilebilir ve kullanılabilir.
Demir dahil edilmeden aynı yöntem, yüzde 99'dan daha saf olan metalürjik kalitede silikon üretmek için kullanılır. Metalurjik silikon, çelik eritme işleminde ve alüminyum döküm alaşımlarının ve silan kimyasallarının üretiminde de kullanılmaktadır.
Metalurjik silikon, alaşımda bulunan demir, alüminyum ve kalsiyumun kirlilik seviyeleri ile sınıflandırılır. Örneğin, 553 silikonlu metal, her bir demir ve alüminyumun yüzde 0.5'inden daha azını ve yüzde 0.3'ün altında kalsiyum içerir.
Dünya genelinde her yıl yaklaşık 8 milyon metrik ton ferrosilikon üretilmekte olup, Çin bu toplamın yaklaşık yüzde 70'ini oluşturmaktadır. Büyük üreticiler arasında Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials ve Elkem bulunuyor.
Ek 2,6 milyon metrik ton metalurjik silikon - veya toplam rafine silikon metalinin yaklaşık yüzde 20'si - yıllık olarak üretilmektedir. Çin yine bu çıktının yüzde 80'ini oluşturuyor.
Bir çoğu için sürpriz, tüm silikon üretiminin sadece küçük bir miktarı (yüzde ikiden az) için güneş ve elektronik silikon dereceleridir.
Güneşe dayanıklı silikon metale (polysilicon) yükseltmek için, saflık% 99.9999 (6N) saf silikondan yukarıya doğru artmalıdır. Bu, en yaygın olarak Siemens süreci olmak üzere üç yöntemden biri ile yapılır.
Siemens Prosesi, triklorosilan olarak bilinen uçucu bir gazın kimyasal buhar birikimini içerir. 1150 ° C'de (2102 ° F) triklorosilan, bir çubuğun ucuna monte edilen yüksek saflıkta bir silikon tohumu üzerine üflenir. Geçtiği zaman, gazdan yüksek saflıkta silikon tohum üzerine bırakılır.
Sıvı yataklı reaktör (FBR) ve yükseltilmiş metalurjik dereceli (UMG) silikon teknolojisi ayrıca, fotovoltaik endüstrisine uygun olan polısilikonyu metalden geliştirmek için de kullanılmaktadır.
2013 yılında 230.000 metrik ton polisilikon üretildi. Lider üreticiler arasında GCL Poly, Wacker-Chemie ve OCI bulunuyor.
Son olarak, yarı iletken endüstrisi ve bazı fotovoltaik teknolojiler için uygun elektronik sınıf silikon üretmek için, polisilikon Czochralski işlemi ile ultra-saf bir monokristal silikon dönüştürülmelidir.
Bunu yapmak için, polisilikon inert bir atmosferde bir pota içinde 1425 ° C'de (2597 ° F) eritilir. Çubuğa monte edilmiş bir tohum kristali daha sonra erimiş metal içine batırılır ve yavaşça döndürülerek çıkarılır ve silisyumun tohum malzemesi üzerinde büyümesi için zaman verir.
Elde edilen ürün, 99.9999999999 (11N) kadar yüksek saflıkta olabilen tek kristal silikon metalden bir çubuk (veya boule) 'dir. Bu çubuk, gerektiğinde kuantum mekaniksel özelliklerini çimdiklemek için gerektiği kadar bor veya fosfor ile takviye edilebilir.
Monokristal çubuk, müşterilere olduğu gibi gönderilebilir veya gofretlere dilimlenebilir ve belirli kullanıcılar için cilalanmış veya dokulu olabilir.
Uygulamalar:
Her yıl yaklaşık on milyon metrik ton ferrosilikon ve silikon metali rafine edilirken, ticari olarak kullanılan silikonun çoğunluğu, çimento, harç ve seramik, camdan ve camdan herşeyin üretiminde kullanılan silikon mineralleri biçimindedir. polimerlerdir.
Belirtildiği gibi ferrosilikon, en yaygın olarak kullanılan metalik silikon formudur. Yaklaşık 150 yıl önce ilk kullanımından bu yana, ferrosilikon, karbon ve paslanmaz çelik üretiminde önemli bir oksit giderici madde olarak kalmıştır. Bugün, çelik eritme en büyük ferrosilikon tüketicisi olmaya devam ediyor.
Ferrosilikon, çelik üretiminin ötesinde bir dizi kullanım alanına sahiptir. Yüksek saflıkta magnezyumun rafine edilmesi için Pidgeon işlemi sırasında sfero döküm üretmek için kullanılan bir nodulizer olan magnezyum ferrosilikon üretiminde bir ön alaşımdır.
Ferrosilikon ayrıca, elektro motor ve transformatör göbeklerinin üretiminde kullanılan ısıya ve korozyona dirençli demirli silikon alaşımlarının yanı sıra silikon çeliğin yapımında da kullanılabilir.
Metalurjik silikon, çelik üretiminde ve alüminyum dökümde bir alaşımlama ajanında kullanılabilir. Alüminyum-silikon (Al-Si) araba parçaları, saf alüminyumdan üretilen bileşenlerden hafif ve güçlüdür. Motor blokları ve lastik jantları gibi otomotiv parçaları en çok kullanılan alüminyum silikon parçalardan bazılarıdır.
Metalurjik silikonun neredeyse yarısı, kimya endüstrisi tarafından dumanlı silika (kalınlaştırıcı ajan ve kurutucu), silanlar (bir bağlayıcı madde) ve silikon (dolgu macunları, yapıştırıcılar ve yağlayıcılar) yapmak için kullanılır.
Fotovoltaik dereceli polisilikon, öncelikle polisilikon güneş hücrelerinin yapımında kullanılır. Bir megawatt güneş modülleri yapmak için yaklaşık beş ton polisilikon gerekmektedir.
Günümüzde, polysilicon solar teknolojisi, dünya çapında üretilen güneş enerjisinin yarısından fazlasını oluştururken, monosilikon teknolojisi yaklaşık yüzde 35 oranında katkıda bulunmaktadır. Toplamda, insanlar tarafından kullanılan güneş enerjisinin yüzde 90'ı silikon bazlı teknoloji ile toplanmaktadır.
Monokristal silikon aynı zamanda modern elektronikte bulunan kritik bir yarı iletken malzemedir. Alan etkili transistörler (FET'ler), LED'ler ve entegre devreler üretiminde kullanılan bir alt tabaka malzemesi olan silikon, neredeyse tüm bilgisayarlarda, cep telefonlarında, tabletlerde, televizyonlarda, radyolarda ve diğer modern iletişim cihazlarında bulunabilir.
Tüm elektronik cihazların üçte birinden fazlasının silikon bazlı yarı iletken teknolojisini içerdiği tahmin edilmektedir.
Son olarak, sert alaşım silikon karbür sentetik takı, yüksek sıcaklık yarı iletkenler, sert seramikler, kesme aletleri, fren diskleri, aşındırıcılar, kurşun geçirmez yelek ve ısıtma elemanları dahil olmak üzere çeşitli elektronik ve elektronik olmayan uygulamalarda kullanılır.
Kaynaklar:
Çelik Alaşım ve Ferroalyaj Üretiminin Kısa Tarihi.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri ve Seppo Louhenkilpi.
Çelik üretiminde ferroalyajların rolü. 9-13 Haziran 2013. On üçüncü Uluslararası Ferroalloys Kongresi. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Google + 'da Terence izleyin