Ein Blick auf das Halbmetall-Silizium
Silizium-Metall ist ein graues und glänzendes halbleitendes Metall, das zur Herstellung von Stahl, Solarzellen und Mikrochips verwendet wird.
Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste (hinter nur Sauerstoff) und das achthäufigste Element im Universum. Tatsächlich können fast 30 Prozent des Gewichts der Erdkruste auf Silizium zurückgeführt werden.
Das Element mit der Ordnungszahl 14 kommt natürlicherweise in Silikatmineralien vor, einschließlich Silica, Feldspat und Glimmer, die Hauptbestandteile von gewöhnlichen Gesteinen wie Quarz und Sandstein sind.
Ein Halbmetall (oder Halbmetall ), Silizium besitzt einige Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen.
Wie Wasser - im Gegensatz zu den meisten Metallen - kontrahiert Silizium in flüssigem Zustand und dehnt sich aus, wenn es sich verfestigt. Es hat relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte und bildet, wenn es kristallisiert wird, eine kubische Kristallkristallstruktur.
Entscheidend für die Rolle des Halbleiters als Halbleiter und seine Verwendung in der Elektronik ist die atomare Struktur des Elements, die vier Valenzelektronen enthält, die es Silizium ermöglichen, sich leicht mit anderen Elementen zu verbinden.
Eigenschaften:
- Atomsymbol: Si
- Atomzahl: 14
- Elementkategorie: Metalloid
- Dichte: 2,329 g / cm 3
- Schmelzpunkt: 2577 ° F (1414 ° C)
- Siedepunkt: 5909 ° F (3265 ° C)
- Mohs Härte: 7
Geschichte:
Dem schwedischen Chemiker Jons Jacob Berzerlius wird 1823 die erste Isolierung von Silizium zugeschrieben. Bererlius gelang dies, indem er metallisches Kalium (das erst ein Jahrzehnt zuvor isoliert worden war) in einem Tiegel zusammen mit Kaliumfluorosilikat erhitzte.
Das Ergebnis war amorphes Silizium.
Die Herstellung von kristallinem Silizium erforderte jedoch mehr Zeit. Eine elektrolytische Probe aus kristallinem Silizium würde für weitere drei Jahrzehnte nicht hergestellt werden.
Die erste kommerzielle Verwendung von Silicium bestand in der Form von Ferrosilizium.
Nach Henry Bessemers Modernisierung der Stahlindustrie in der Mitte des 19. Jahrhunderts bestand ein großes Interesse an der Stahlmetallurgie und der Forschung in der Stahlherstellung.
Zu der Zeit der ersten industriellen Produktion von Ferrosilicium in den 1880er Jahren wurde die Bedeutung von Silicium zur Verbesserung der Duktilität in Roheisen und Desoxidationsstahl ziemlich gut verstanden.
Die frühe Produktion von Ferrosilicium erfolgte in Hochöfen durch Reduktion siliziumhaltiger Erze mit Aktivkohle, wobei silbriges Roheisen, ein Ferrosilicium mit bis zu 20 Prozent Siliziumgehalt, entstand.
Die Entwicklung von Elektrolichtbogenöfen zu Beginn des 20. Jahrhunderts ermöglichte nicht nur eine größere Stahlproduktion , sondern auch mehr Ferrosiliziumproduktion.
1903 nahm eine auf die Herstellung von Ferrolegierungen (Compagnie Generate d'Electrochimie) spezialisierte Gruppe in Deutschland, Frankreich und Österreich ihren Betrieb auf. 1907 wurde das erste kommerzielle Siliziumwerk in den USA gegründet.
Die Stahlherstellung war nicht die einzige Anwendung für Siliciumverbindungen, die vor dem Ende des 19. Jahrhunderts kommerzialisiert wurden.
Um 1890 künstliche Diamanten herzustellen, erhitzte Edward Goodrich Acheson Aluminiumsilikat mit pulverförmigem Koks und zufällig hergestelltem Siliciumcarbid (SiC).
Drei Jahre später hatte Acheson seine Produktionsmethode patentieren lassen und gründete Carborundum Company (Carborundum ist der gebräuchliche Name für Siliziumkarbid zu der Zeit) für die Herstellung und den Verkauf von Schleifprodukten.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden auch die leitenden Eigenschaften von Siliciumcarbid realisiert, und die Verbindung wurde als Detektor in frühen Schiffsfunkgeräten verwendet. Ein Patent für Siliziumkristalldetektoren wurde GW Pickard 1906 erteilt.
Im Jahr 1907 wurde die erste Leuchtdiode (LED) durch Anlegen einer Spannung an einen Siliziumkarbidkristall erzeugt.
In den 1930er Jahren wuchs der Siliziumverbrauch mit der Entwicklung neuer chemischer Produkte, einschließlich Silanen und Silikonen.
Das Wachstum der Elektronik im vergangenen Jahrhundert war auch untrennbar mit Silizium und seinen einzigartigen Eigenschaften verbunden.
Während die Herstellung der ersten Transistoren - die Vorläufer moderner Mikrochips - in den 1940er Jahren auf Germanium zurückgingen , dauerte es nicht lange, bis Silizium seine metalloide Base als haltbareres Substrathalbleitermaterial verdrängte.
Bell Labs und Texas Instruments begannen 1954 mit der kommerziellen Produktion von Transistoren auf Siliziumbasis.
Die ersten integrierten Siliziumschaltungen wurden in den 1960ern hergestellt, und in den 1970ern wurden siliziumhaltige Prozessoren entwickelt.
Angesichts der Tatsache, dass die siliziumbasierte Halbleitertechnologie das Rückgrat der modernen Elektronik und Computertechnik bildet, sollte es nicht überraschen, dass wir uns auf den Mittelpunkt der Aktivitäten dieser Branche als "Silicon Valley" beziehen.
(Für einen detaillierten Blick auf die Geschichte und Entwicklung von Silicon Valley und Mikrochip-Technologie, empfehle ich die American Experience Dokumentation mit dem Titel Silicon Valley).
Nicht lange nach der Enthüllung der ersten Transistoren führte die Arbeit von Bell Labs mit Silizium 1954 zu einem zweiten großen Durchbruch: Die erste Silizium-Solarzelle.
Zuvor wurde der Gedanke, Energie von der Sonne zu nutzen, um auf der Erde Kraft zu erzeugen, von den meisten als unmöglich angesehen. Aber nur vier Jahre später, 1958, umkreiste der erste Satellit, der mit Silizium-Solarzellen betrieben wurde, die Erde.
In den 1970er Jahren waren kommerzielle Anwendungen für Solartechnologien auf terrestrische Anwendungen wie die Beleuchtung von Offshore-Bohrinseln und Bahnübergängen angewachsen.
In den letzten zwei Jahrzehnten ist die Nutzung von Solarenergie exponentiell gewachsen. Heute machen siliziumbasierte Photovoltaik-Technologien rund 90 Prozent des globalen Solarmarktes aus.
Produktion:
Der Großteil des jährlich veredelten Siliziums - etwa 80 Prozent - wird als Ferrosilizium für die Eisen- und Stahlherstellung hergestellt . Ferrosilicium kann zwischen 15 und 90 Prozent Silizium enthalten, abhängig von den Anforderungen der Schmelzhütte.
Die Legierung von Eisen und Silizium wird unter Verwendung eines Tauchelektrolichtbogenofens durch Reduktionsverhüttung hergestellt. Silika-reiches Erz und eine Kohlenstoffquelle wie Kokskohle (Hüttenkohle) wird zerkleinert und zusammen mit Schrott in den Ofen geladen.
Bei Temperaturen über 1900 ° C (3450 ° F) reagiert Kohlenstoff mit dem im Erz vorhandenen Sauerstoff unter Bildung von Kohlenmonoxidgas. Das verbleibende Eisen und das Silizium verbinden sich dann zu geschmolzenem Ferrosilicium, das durch Abstich des Ofenbodens gesammelt werden kann.
Sobald es abgekühlt und ausgehärtet ist, kann das Ferrosilicium direkt in der Eisen- und Stahlherstellung versandt und verwendet werden.
Die gleiche Methode ohne die Zugabe von Eisen wird verwendet, um metallurgisches Silizium herzustellen, das zu mehr als 99 Prozent rein ist. Metallurgisches Silizium wird auch beim Schmelzen von Stahl sowie bei der Herstellung von Aluminiumgusslegierungen und Silanchemikalien verwendet.
Metallurgisches Silizium wird durch die Verunreinigungsgrade von Eisen, Aluminium und Kalzium klassifiziert, die in der Legierung vorhanden sind. Zum Beispiel enthält 553 Siliciummetall weniger als 0,5 Prozent von jedem Eisen und Aluminium und weniger als 0,3 Prozent Calcium.
Weltweit werden jährlich rund 8 Millionen Tonnen Ferrosilicium produziert, davon entfallen rund 70 Prozent auf China. Große Hersteller sind die Erdos Metallurgy Group, die Ningxia Rongsheng Ferroalloy, die Group OM Materials und Elkem.
Weitere 2,6 Millionen Tonnen metallurgisches Silizium - oder etwa 20 Prozent des gesamten veredelten Siliziummetalls - werden jährlich produziert. China macht wiederum rund 80 Prozent dieser Produktion aus.
Eine Überraschung für viele ist, dass die Silizium- und Siliziumqualitäten nur eine kleine Menge (weniger als zwei Prozent) der gesamten Produktion von raffiniertem Silizium ausmachen.
Um auf Solarsilizium-Metall (Polysilizium) aufzurüsten, muss die Reinheit auf über 99,9999% (6 N) reines Silizium steigen. Dies geschieht über eine von drei Methoden, von denen die Siemens-Methode die häufigste ist.
Beim Siemens-Prozess wird ein flüchtiges Gas, das Trichlorsilan, aus der Gasphase abgeschieden. Bei 1150ºC (2102ºF) wird Trichlorsilan über einen hochreinen Siliciumsamen geblasen, der am Ende einer Stange angebracht ist. Wenn es übergeht, wird hochreines Silizium aus dem Gas auf dem Keim abgeschieden.
Fließbettreaktor (FBR) und verbesserte metallurgische (UMG) Siliziumtechnologie werden auch verwendet, um das Metall zu Polysilizium zu verbessern, das für die photovoltaische Industrie geeignet ist.
Im Jahr 2013 wurden 230.000 Tonnen Polysilicium produziert. Zu den führenden Herstellern gehören GCL Poly, Wacker-Chemie und OCI.
Um Silicium in Elektronikqualität für die Halbleiterindustrie und bestimmte photovoltaische Technologien herzustellen, muss Polysilizium schließlich über den Czochralski-Prozess in ein ultrareines Einkristallsilizium umgewandelt werden.
Um dies zu tun, wird das Polysilizium in einem Tiegel bei 1425ºC (2597ºF) in einer inerten Atmosphäre geschmolzen. Ein stabmontierter Impfkristall wird dann in das geschmolzene Metall eingetaucht und langsam rotiert und entfernt, was dem Silizium Zeit gibt, auf dem Impfmaterial zu wachsen.
Das resultierende Produkt ist ein Stab (oder Boule) aus einkristallinem Siliciummetall, der so hoch wie 99,999999999 (11 N) Prozent rein sein kann. Dieser Stab kann nach Bedarf mit Bor oder Phosphor dotiert sein, um die quantenmechanischen Eigenschaften nach Bedarf zu optimieren.
Der monokristalline Stab kann zu den Kunden versandt werden oder in Scheiben geschnitten und für bestimmte Benutzer poliert oder strukturiert werden.
Anwendungen:
Während jedes Jahr etwa zehn Millionen Tonnen Ferrosilizium und Siliciummetall raffiniert werden, liegt der größte Teil des kommerziell eingesetzten Siliciums in Form von Siliciummineralien vor, die bei der Herstellung von allem von Zement, Mörtel und Keramik bis hin zu Glas und Silizium verwendet werden Polymere.
Ferrosilicium ist, wie erwähnt, die am häufigsten verwendete Form von metallischem Silicium. Seit seiner ersten Verwendung vor rund 150 Jahren ist Ferrosilizium ein wichtiges Desoxidationsmittel bei der Herstellung von Kohlenstoff und Edelstahl . Heutzutage bleibt die Stahlschmelze der größte Verbraucher von Ferrosilicium.
Ferrosilicium hat jedoch eine Reihe von Anwendungen außerhalb der Stahlerzeugung. Es ist eine Vorlegierung bei der Herstellung von Magnesiumferrosilicium , einem Nodulizer, der zur Herstellung von duktilem Eisen verwendet wird, sowie während des Pidgeon-Verfahrens zur Raffination von hochreinem Magnesium.
Ferrosilicium kann auch verwendet werden, um hitze- und korrosionsbeständige Eisen (II) -Siliziumlegierungen sowie Siliziumstahl herzustellen, der bei der Herstellung von Elektromotoren und Transformatorkernen verwendet wird.
Metallurgisches Silizium kann sowohl in der Stahlerzeugung als auch als Legierungsmittel im Aluminiumguss verwendet werden. Aluminium-Silizium (Al-Si) Autoteile sind leicht und stärker als Komponenten aus reinem Aluminium. Autoteile wie Motorblöcke und Reifenfelgen gehören zu den am häufigsten gegossenen Aluminium-Siliziumteilen.
Fast die Hälfte aller metallurgischen Silizium wird von der chemischen Industrie verwendet, um pyrogene Kieselsäure (ein Verdickungsmittel und Trockenmittel), Silane (ein Kupplungsmittel) und Silikon (Dichtstoffe, Klebstoffe und Schmierstoffe) zu machen.
Bei der Herstellung von Polysilizium-Solarzellen wird hauptsächlich Polysilicium mit Solarzellenqualität verwendet. Etwa fünf Tonnen Polysilizium werden benötigt, um ein Megawatt Solarmodule herzustellen.
Derzeit macht die Polysilizium-Solartechnologie mehr als die Hälfte der weltweit produzierten Solarenergie aus, während die Monosilizium-Technologie rund 35 Prozent beiträgt. Insgesamt werden 90 Prozent der vom Menschen verbrauchten Sonnenenergie durch siliziumbasierte Technologie gewonnen.
Einkristallsilizium ist auch ein kritisches Halbleitermaterial, das in der modernen Elektronik zu finden ist. Als Substratmaterial, das bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren (FETs), LEDs und integrierten Schaltungen verwendet wird, kann Silizium in praktisch allen Computern, Mobiltelefonen, Tablets, Fernsehgeräten, Radios und anderen modernen Kommunikationsgeräten gefunden werden.
Es wird geschätzt, dass mehr als ein Drittel aller elektronischen Geräte Silizium-basierte Halbleitertechnologie enthalten.
Schließlich wird das Hartlegierungs-Siliziumkarbid in einer Vielzahl von elektronischen und nicht-elektronischen Anwendungen verwendet, einschließlich synthetischem Schmuck, Hochtemperaturhalbleitern, Hartkeramiken, Schneidwerkzeugen, Bremsscheiben, Schleifmitteln, kugelsicheren Westen und Heizelementen.
Quellen:
Eine kurze Geschichte der Stahllegierung und Ferrolegierung Produktion.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri und Seppo Louhenkilpi. In der Tat
Zur Rolle von Ferrolegierungen in der Stahlerzeugung. 9.-13. Juni 2013. Der 13. Internationale Ferrolegierungskongress. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
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