Жартылай металл кремнийге шолу
Киликон металы болат, күн батареяларын және микрочиптерді өндіру үшін пайдаланылатын сұр және жылтыр полимерлі металл болып табылады.
Силикон - бұл Жер қыртысының (оттегі ғана) және әлемдегі сегізінші ең көп тараған элементтің екінші көптігі. Жер қыртысының салмағының шамамен 30 пайызы кремнийге жатқызылуы мүмкін.
Атом санының 14 элементі табиғи түрде силикат минералдарында, соның ішінде кварц пен құмтас сияқты жалпы жыныстардың негізгі компоненттері болып табылатын кремнезема, дала шпаты және слюда тәріздес болып келеді.
Жартылай металл (немесе металлоид ), кремний металдар мен металдардың кейбір қасиеттеріне ие.
Су секілді - бірақ көптеген металдардан айырмашылығы - кремний конверсиясы оның сұйық күйінде және оны нығайтқан сайын кеңейеді. Ол салыстырмалы түрде жоғары балқу және қайнау нүктелеріне ие, ал кристалданған кезде гауһар кубоктың кристалды құрылымын қалыптастырады.
Кремнийдің жартылай өткізгіш ретіндегі рөлі және оны электроникада пайдалану кремнийдің басқа элементтермен байланысын қамтамасыз ететін төрт валенттілігі электроннан тұратын элементтің атом құрылымы болып табылады.
Сипаттары:
- Атом символы: Si
- Атом нөмірі: 14
- Element Категория: Металлоид
- Тығыздығы: 2,329 г / см3
- Еріту нүктесі: 2577 ° F (1414 ° C)
- Қайнау температурасы: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moh's Hardness: 7
Тарих:
Швед шебері Джонс Якоб Берзерлиус алғашқы 1823 жылы оқшауланған кремниймен есептеледі. Berzerlius оны калий флюоросиликатымен қатар, қызыл металл калийімен (ол тек он жыл бұрын оқшауланған) орындады.
Нәтижесінде аморфты кремний болды.
Дегенмен кристалды кремнийді алу көп уақытты қажет етеді. Кристалды кремнийдің электролиттік үлгісі тағы үш онжылдықта жасалмайды.
Алғашқы кремнийді коммерцияланған қолдану ферросиликон түрінде болды.
19-шы ғасырдың ортасында Генри Бессемердің болат өнеркәсібін модернизациялауынан кейін болат металлургиясына және металлургиялық технологияларды зерттеуге үлкен қызығушылық туды.
1880 жылдардағы ферросилицаның бірінші индустриалды өндірісі кезінде кремнийдің шойынды және деоксидантқыш болатты икемділікті жақсартудағы маңыздылығы өте жақсы түсінді.
Ферросиликонның ертерек өндірісі көмірмен кремний бар рудаларды азайту есебінен домна пештерінде жасалды, нәтижесінде күміс шойын, 20 пайызға дейін кремний бар ферросиликон бар.
Электр доғаның пештерін дамыту 20 ғасырдың басында тек болат өндірісін ғана емес, сонымен қатар ферросиликон өндірісін де арттыруға мүмкіндік берді.
1903 жылы ферроқорытпа өндіруге маманданған топ (Compagnie Generate d'Electrochimie) Германияда, Францияда және Австрияда жұмыс істей бастады және 1907 жылы АҚШ-та алғашқы коммерциялық кремний зауыты құрылды.
19-шы ғасырдың аяғына дейін коммерцияландырылған кремний қосылыстары үшін тек қана металлургия өндірісі ғана емес.
1890 жылы жасанды алмаздарды шығару үшін Эдвард Гудрих Ачесон ұнтақты кокс бар алюминий силикатты қыздырып, кейде кремний карбиді (SiC) шығарады.
Үш жылдан соң Acheson өзінің өндірістік әдісін патенттеді және абразивті өнімдерді жасау және сату мақсатында Carborundum компаниясының (карборундтың кремний карбидінің жалпы атауы) негізін қалады.
XX ғасырдың басында кремний карбидінің өткізгіш қасиеттері іске асырылды, ал ертерек кеме радиосының детекторы ретінде қолданылды. 1906 жылы GW Pickard компаниясына кремнийлі кристалды детекторларға патент берілді.
1907 жылы кремний карбиді кристалына кернеуді қолдану арқылы бірінші жарықдиодты диод (LED) құрылды.
1930-шы жылдарда кремнийді пайдалану жаңа химия өнімдерін, соның ішінде силан мен силикондарды дамыту арқылы өсті.
Өткен ғасырдағы электрониканың өсуі сондай-ақ кремний мен оның ерекше қасиеттерімен тығыз байланысты.
Алғашқы транзисторлар - қазіргі заманғы микрочиптердің прекурсорларын жасау - 1940 жылдары германға негізделген, ал кремний өзінің металлоидтық немере ағайынын ұзаққа созылатын субстрат жартылай өткізгіш материал ретінде сіңіргенге дейін болған.
Bell Labs және Texas Instruments компаниясы 1954 жылы кремний негізіндегі транзисторларды коммерциялық өндіруге кірісті.
Алғашқы кремний интегралды схемалары 1960 жылдары жасалды, ал 1970 жылдары кремний бар процессорлар әзірленді.
Кремний негізіндегі жартылай өткізгіш технология қазіргі заманғы электроника мен есептеулердің негізін құрайтынын ескере отырып, біз «Силикон алқабы» ретінде осы сала үшін қызмет көрсету орталығына қарайтынымыз таңқаларлық емес.
(Силикон алқабының және микрочип технологиясының даму тарихын және даму тарихын егжей-тегжейлі қарап, Американдық «Силикон аңғары» атты деректі фильмін ұсынамын).
Бірінші транзисторды ашқаннан кейін Bell Labs компаниясының кремниймен жұмыс жасауы 1954 жылы екінші үлкен серпіліске әкелді: Бірінші кремний фотовольтаикалық (күн) жасушасы.
Бұған дейін жердегі билікті құру үшін күн сәулесінен энергияны пайдалану туралы ойдың көбісі мүмкін емес деп санайды. Бірақ төрт жыл өткен соң, 1958 жылы, жер серігі бар күн радиациясының кремнийлері жасаған алғашқы жер серігі жерді орбитаға айналдырды.
1970-ші жылдары күн радиациясына арналған коммерциялық қосымшалар оффшорлық мұнаралар мен темiр жол өткелдерiнде жарықтандыруды күшейту сияқты жер бетiндегi қосымшаларға өсті.
Соңғы екі онжылдықта күн энергиясын пайдалану экспоненталық өсті. Бүгінгі күні кремний негізінде фотовольтаикалық технологиялар ғаламдық күн энергиясының нарығының 90 пайызын құрайды.
Өндіріс:
Жыл сайын тазартылған кремнийдің көп бөлігі - 80 пайызға жуық - темір және болат өндірісінде қолданылатын ферросиликон ретінде шығарылады. Ферросиликон, кез-келген жерде, құрамында 15-90% кремнийдің болуы мүмкін.
Темір мен кремний қорытпасы төмендету арқылы балқыған электр доғасының пеші арқылы шығарылады. Силикатты бай кен және кокстелетін көмір (металлургиялық көмір) сияқты көміртек көзі пешке ұнтақпен бірге жүктеледі.
1900 ° C-тан (3450 ° F) жоғары температура кезінде көміртегі көміртегі тотығы газын құрайтын рудадағы оттегімен әрекеттеседі. Қалған темір мен кремний, сонымен қатар, балқытылған ферросиликон жасау үшін біріктіріледі, ол пештің негізін түгел жинап алуға болады.
Салқындатылған және қатайтылғаннан кейін, ферросиликон оны тікелей теміржәне болатты өндірісте пайдалануға болады.
Сонымен қатар, темір қосылмаған әдіс 99 пайыздан жоғары таза металлургиялық кремнийді өндіру үшін қолданылады. Металлургиялық кремний сондай-ақ болат балқытуда, сондай-ақ алюминий құймаларының қорытпалары мен силана химикаттарын өндіруде қолданылады.
Металлургиялық кремний қорытпадағы темірдің, алюминийдің және кальцийдің қоспасыздық деңгейі бойынша жіктеледі. Мысалы, 553 кремнийлі металдың құрамында әр темірдің және алюминийдің 0,5 пайызынан азы және 0,3 пайызға аз кальций бар.
Жыл сайын әлемде 8 миллион метрикалық тоннаға жуық ферросиликон өндіріледі, ал Қытай бұл көрсеткіштің шамамен 70 пайызын құрайды. Үлкен өндірушілердің құрамына Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials және Elkem Group кіреді.
Жыл сайын 2,6 миллион метрикалық тонна металлургиялық кремний - немесе тазартылған кремний металының шамамен 20 пайызы өндіріледі. Қытай тағы да 80 пайызға жуық өнім шығарады.
Көптеген адамдарға таңданыс - кремнийдің күн және электрондық силикондарында тазартылған кремний өндірісінің аз ғана көлемінде (кемінде екі пайыз).
Күндік кремний металына (полисиликонға) дейін жету үшін тазалық 99,9999% (6N) таза кремнийге дейін көтерілуі керек. Бұл үш тәсілдің бірі арқылы жүзеге асырылады, ең көп тараған Siemens процесі.
Siemens процесі трихлорсилан деп аталатын ұшпа газдың химиялық буының тұндыруын қамтиды. 1150 ° C (2102 ° F) кезінде трихлорсилан таяқшаның соңына орнатылған жоғары тазалығы бар кремний тұқымынан жарылды. Өткізгеннен кейін газдан тазалық кремнийі тұқымға қойылады.
Сұйық қабатты реактор (ФБР) және жаңартылған металлургиялық сыныбы (УМГ) кремнийі технологиясы фотоэлолий өнеркәсібі үшін қолайлы полисиликонға арналған металды жақсарту үшін қолданылады.
2013 жылы 230 мың метрикалық тонна поликремний өндірілді. Жетекші өндірушілер: GCL Poly, Wacker-Chemie және OCI.
Ақыр соңында, жартылай өткізгіш өнеркәсібіне жарамды кремний электроникасы және кейбір фотоэлектрлік технологиялар жасау үшін, поликремний Czochralski процесі арқылы ультра-таза монокристалды кремнийге айналдыру керек.
Ол үшін полисиликон инертті атмосферада 1425 ° C (2597 ° F) температурада ерітіледі. Таяқты кристалдан кейін шойын құйылған металлға батырылады және баяу айналдырылып, жойылады, тұқым материалында кремнийдің өсуіне уақыт береді.
Алынған өнім - 99,999999999 (11N) пайызға дейін таза болуы мүмкін кристалды кремний металының штангасы (немесе боула). Бұл штанганы қажет болған жағдайда кванттық механикалық қасиеттерді бұру үшін қажет бормен немесе фосформен бүктеуге болады.
Монокристалдың шаты тұтынушыларға, мысалы, вафлиге кесілген немесе белгілі бір пайдаланушылар үшін жылтыратылған немесе текстураланған түрде жеткізіледі.
Қолданбалар:
Жыл сайын шамамен он миллион метрикалық тонна ферросилиций мен кремний металын тазартады, алайда кремнийдің көпшілігі коммерциялық негізде цемент, минералдық қоспалар мен керамикадан, шыныға дейін және барлық өндірісте қолданылатын кремнийлі минералдар түрінде қолданылады. полимерлер.
Ферросиликон, атап өткендей, металл кремнийдің ең көп қолданылатын түрі болып табылады. 150 жыл бұрын алғаш рет қолданған кезден бастап, ферросиликон көміртекті және тот баспайтын болаттан өндірісте маңызды деоксидирлейтін агент болып қала берді. Бүгінгі күні болат балқыту ферросилицаның ең ірі тұтынушысы болып қала береді.
Ферросиликон болат шығармашылығынан тыс бірнеше қолданысқа ие. Бұл магний ферросиликонын өндіруде алдын ала қорытпа, сутекті темір шығару үшін пайдаланылатын нодироза, сондай-ақ тазалығы жоғары магнийді тазарту үшін Пиджон процесі кезінде.
Ферросиликон жылу және коррозияға төзімді темір кремнийлі қорытпаларды, сондай-ақ электромоторлар мен трансформаторлық ядролардың өндірісінде қолданылатын кремнийлі болатты жасау үшін де қолданыла алады.
Металлургиялық кремний алюминий қышқылында болат шығарумен, сондай-ақ легирленген агентті қолдануға болады. Алюминий-кремний (Al-Si) автомобиль бөліктері таза алюминийден алынған компоненттерге қарағанда жеңіл және күшті. Қозғалтқыш блоктар мен шиналар сияқты автокөлік бөліктері ең көп таралған алюминий кремний бөліктері болып табылады.
Металлургиялық кремнийдің жартысына жуығын химия өнеркәсібінде фумед кремнийі (қалыңдататын агент және құрғақ зат), силандар (сепараторлар) және силикондар (тығыздағыштар, желімдер, жағар майлар) жасау үшін пайдаланады.
Фотовольтиялық поликремний полисиликоны негізінен поликремний күн батареяларын жасауда қолданылады. Бір мегаватт күн модулін жасау үшін шамамен бес тонна поликремний қажет.
Қазіргі уақытта поликремний күн технологиясы әлемде өндірілген күн энергиясының жартысынан астамын құрайды, ал моносиликон технологиясы 35 пайызға жуықтайды. Адамдар қолданатын күн энергиясының 90 пайызы кремний негізіндегі технологиямен жиналады.
Монокристалды кремний қазіргі заманғы электроникада табылған маңызды жартылай өткізгіш материал болып табылады. Далалық әсерлі транзисторлар (FETs), жарықдиодты және интегралды схемалар өндірісінде қолданылатын субстрат материалы ретінде барлық компьютерлерде, ұялы телефондарда, планшеттерде, теледидарларда, радио мен басқа заманауи байланыс құрылғыларында табуға болады.
Барлық электронды құрылғылардың үштен бірінен астамы кремний негізіндегі жартылай өткізгіш технологияны қамтиды.
Ақыр соңында, қатты кремнийлі кремнийлі карбид синтетикалық зергерлік бұйымдар, жоғары температуралы жартылай өткізгіштер, қатты керамика, кескіш құрал, тежегіш дискілер, абразивтер, оққа төзімді жейделер және қыздыру элементтері сияқты түрлі электрондық және электрондық емес қолданбаларда қолданылады.
Көздер:
Болат алюминий және ферроқорытпа өндірісінің қысқаша тарихы.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri және Seppo Louhenkilpi. مور
Ферроқорытпалардың болат шығарумен айналысатын рөлі туралы. 9-13 маусым, 2013. Он үшінші Халықаралық ферроқорытпа конгресі. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Google+ сайтында Terence ұстаныңыз