Isang pagtingin sa semi-metal silikon
Ang Silicon metal ay isang kulay-abo at malambot na semi-conductive metal na ginagamit sa paggawa ng bakal, solar cell, at microchip.
Ang Silicon ay ang ikalawang pinaka-sagana sangkap sa crust ng lupa (sa likod lamang ng oxygen) at ang ikawalo pinaka-karaniwang elemento sa uniberso. Sa katunayan, halos 30 porsiyento ng bigat ng crust ng lupa ay maaaring maiugnay sa silikon.
Ang elemento na may atomic number 14 ay natural na nangyayari sa silicate mineral, kabilang ang kwats, feldspar, at mika, na pangunahing mga bahagi ng mga karaniwang bato tulad ng kuwarts at senstoun.
Ang isang semi-metal (o metalloid ), ang silikon ay nagtataglay ng ilang mga katangian ng parehong mga metal at non-riles.
Tulad ng tubig - ngunit hindi katulad ng karamihan sa mga metal - ang mga kontrata ng silikon sa likidong estado nito at nagpapalawak habang nagpapalakas nito. Ito ay may relatibong mataas na pagtunaw at kumukulo na mga punto, at kapag ang crystallized ay bumubuo ng brilyante na kristal na istraktura ng kubiko.
Ang kritikal sa papel ng silikon bilang isang semiconductor at ang paggamit nito sa elektronika ay atomic na istraktura ng elemento, na kinabibilangan ng apat na electron ng valence na nagpapahintulot sa silikon na bono sa iba pang mga elemento nang madali.
Ari-arian:
- Atomic Symbol: Si
- Atomic Number: 14
- Kategorya ng Elemento: Metalloid
- Densidad: 2.329g / cm3
- Temperatura ng pagkatunaw: 2577 ° F (1414 ° C)
- Boiling Point: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moh's Hardness: 7
Kasaysayan:
Ang Swedish na kimiko na si Jons Jacob Berzerlius ay kredito sa unang isolating silikon noong 1823. Ginawa ito ni Berzerlius sa pamamagitan ng pag-init ng metalikong potasa (na lamang ay nakahiwalay isang dekada nang mas maaga) sa isang tunawan ng karne kasama ang potassium fluorosilicate.
Ang resulta ay amorphous silikon.
Gayunpaman, ang paggawa ng mala-kristal na silikon ay nangangailangan ng mas maraming oras. Ang isang electrolytic sample ng mala-kristal na silikon ay hindi gagawing para sa isa pang tatlong dekada.
Ang unang commercialized paggamit ng silikon ay sa anyo ng ferrosilicon.
Kasunod ng paggawa ng makabago ng industriya ng bakal na pagmimina ni Henry Bessemer noong kalagitnaan ng ika-19 na siglo, may malaking interes sa bakalong metalurhiya at pananaliksik sa mga pamamaraan ng paggawa ng bakal.
Sa panahon ng unang pang-industriya na produksyon ng ferrosilicon sa 1880s, ang kahalagahan ng silikon sa pagpapabuti ng kalagkitan sa baboy bakal at deoxidizing bakal ay lubos na nauunawaan.
Ang unang produksyon ng ferrosilicon ay ginawa sa mga hurno ng sabog sa pamamagitan ng pagbawas ng silikon na naglalaman ng silikon na may uling, na nagresulta sa kulay-pilak na baboy na bakal, isang ferrosilicon na may hanggang 20 porsiyento na nilalaman ng silikon.
Ang pagpapaunlad ng mga electric arc furnaces sa simula ng ika-20 siglo ay pinahihintulutan hindi lamang ang higit na produksyon ng bakal , kundi pati na rin ang produksyon ng ferrosilicon.
Noong 1903, ang isang grupo na nag-specialize sa paggawa ng ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) ay nagsimulang operasyon sa Germany, France at Austria at, noong 1907, itinatag ang unang commercial silicon plant sa US.
Ang paggawa ng bakal ay hindi lamang ang aplikasyon para sa mga silikon na komersiyo bago pa matapos ang ika-19 na siglo.
Upang gumawa ng mga artipisyal na diamante noong 1890, si Edward Goodrich Acheson pinainit ng aluminyo silicate na may pulbos na magkouk at nagkataon na ginawa ng silicon carbide (SiC).
Tatlong taon na ang lumipas si Acheson ay nagpataw ng kanyang pamamaraan ng produksyon at itinatag ang Carborundum Company (ang carborundum ay ang karaniwang pangalan para sa silikon karbid sa panahong iyon) para sa layunin ng paggawa at pagbebenta ng mga produktong nakasasakit.
Noong unang bahagi ng ika-20 siglo, ang mga konduktibong katangian ng silikon karbid ay natanto rin, at ang tambalang ginamit bilang isang detektor sa mga unang radios ng barko. Ang isang patent para sa mga detektor ng silikon ng kristal ay ipinagkaloob sa GW Pickard noong 1906.
Noong 1907, ang unang light emitting diode (LED) ay nilikha sa pamamagitan ng paglalapat ng boltahe sa isang kristal na silikon ng karbid.
Sa pamamagitan ng paggamit ng silikon noong 1930, lumaki ang pagbuo ng mga bagong produkto ng kemikal, kabilang ang silanes at silikon.
Ang paglago ng mga elektroniko sa nakalipas na siglo ay din ay inextricably naka-link sa silikon at ang mga natatanging katangian nito.
Habang ang paglikha ng mga unang transistors - ang mga precursors sa mga modernong microchips - sa 1940s ay umasa sa germanyum , hindi katagal bago pinalitan ng silikon ang metalloid pinsan nito bilang isang mas matibay substrate na materyal na semiconductor.
Ang Bell Labs at Texas Instruments ay nagsimula nang komersyo sa paggawa ng mga transistors na batay sa silikon noong 1954.
Ang unang pinagsama-samang mga circuits ng silikon ay ginawa noong dekada ng 1960 at, noong dekada 1970, ang mga processor na naglalaman ng silicon ay binuo.
Dahil ang teknolohiya ng semiconductor na batay sa silicon ay bumubuo sa gulugod ng mga modernong electronics at computing, hindi dapat sorpresa na tinutukoy namin ang hub ng aktibidad para sa industriya na ito bilang 'Silicon Valley.'
(Para sa isang detalyadong pagtingin sa kasaysayan at pagpapaunlad ng Silicon Valley at teknolohiya ng microchip, lubos kong inirerekumenda ang dokumentaryo ng Karanasan sa Amerika na pinamagatang Silicon Valley).
Hindi nagtagal pagkatapos ng pag-unveiling ng mga unang transistors, gumagana ang Bell Labs na may silikon na humantong sa isang pangalawang malaking pagsisimula noong 1954: Ang unang silikon photovoltaic (solar) cell.
Bago ito, ang pag-iisip ng paggamit ng enerhiya mula sa araw upang lumikha ng kapangyarihan sa lupa ay naniniwala na imposible ng karamihan. Ngunit pagkaraan ng apat na taon lamang, noong 1958, ang unang satelayt na pinapatakbo ng mga silikon na solar cell ay nag-oorbit sa lupa.
Noong dekada 1970, ang mga komersyal na aplikasyon para sa solar na teknolohiya ay lumago sa mga panlupa na mga application tulad ng pag-iilaw ng ilaw sa mga malayo sa pampang ng langis at riles ng tren.
Sa nakalipas na dalawang dekada, ang paggamit ng solar energy ay lumaki nang malaki. Sa ngayon, ang mga teknolohiya ng photovoltaic na batay sa silikon ay nagkakaroon ng tungkol sa 90 porsiyento ng global solar energy market.
Produksyon:
Ang karamihan ng silikon na pino sa bawat taon - mga 80 porsiyento - ay ginawa bilang ferrosilicon para gamitin sa bakal at paggawa ng bakal . Ang Ferrosilicon ay maaaring maglaman ng kahit saan sa pagitan ng 15 at 90 porsiyento na silikon depende sa mga kinakailangan ng smelter.
Ang haluang metal ng bakal at silikon ay ginawa gamit ang isang lubog na electric arc pugon sa pamamagitan ng pagbabawas ng smelting. Ang mayaman sa silica at isang pinagmumulan ng carbon tulad ng coking coal (metalurhiko sa karbon) ay durog at ikinarga sa pugon kasama ang scrap iron.
Sa temperatura ng higit sa 1900 ° C (3450 ° F), ang carbon ay tumutugon sa oxygen na nasa mineral, na bumubuo ng carbon monoxide gas. Samantala, ang natitirang bakal at silikon, pagkatapos ay pagsamahin upang makagawa ng binubong ferrosilicon, na maaaring makuha sa pamamagitan ng pagtapik sa base ng pugon.
Kapag pinalamig at pinatigas, ang ferrosilicon ay maaaring maipadala at direktang ginagamit sa pagmamanupaktura ng bakal at bakal.
Ang parehong paraan, nang walang pagsasama ng bakal, ay ginagamit upang makabuo ng metalurhiko grado silikon na mas malaki kaysa sa 99 porsiyento dalisay. Ang metalurhiko silikon ay ginagamit din sa smelting ng bakal, pati na rin ang paggawa ng aluminum alloys na cast at silane chemicals.
Ang metalurhiko silikon ay inuri ng mga antas ng karumihan ng bakal, aluminyo , at kaltsyum na nasa haluang metal. Halimbawa, ang 553 silikon metal ay naglalaman ng mas mababa sa 0.5 porsiyento ng bawat bakal at aluminyo, at mas mababa sa 0.3 porsiyento ng kaltsyum.
Humigit-kumulang 8 milyong metrikong tonelada ng ferrosilicon ang ginagawang bawat taon sa buong mundo, na ang Tsina ay nagkakaloob ng tungkol sa 70 porsiyento ng kabuuang ito. Kabilang sa mga malalaking producer ang Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Mga Material Group OM at Elkem.
Ang isang karagdagang 2.6 milyong metrikong tonelada ng metalurhiko silikon - o mga 20 porsiyento ng kabuuang pinong silikon metal - ay ginagawa taun-taon. Ang Tsina, muli, ay nagkakaroon ng tungkol sa 80 porsiyento ng output na ito.
Ang isang sorpresa sa marami ay ang solar at electronic grado ng silikon account para sa isang maliit na halaga lamang (mas mababa sa dalawang porsyento) ng lahat ng pinong produksyon ng silikon.
Upang mag-upgrade sa solar-grade silikon metal (polysilicon), dapat na dagdagan ang kadalisayan sa pataas ng 99.9999% (6N) purong silikon. Ito ay ginagawa sa pamamagitan ng isa sa tatlong mga pamamaraan, ang pinaka-karaniwan ay ang proseso ng Siemens.
Ang Siemens Process ay nagsasangkot ng kemikal na singaw ng pagtatago ng isang pabagu-bago ng isip gas na kilala bilang trichlorosilane. Sa 1150 ° C (2102 ° F) ang trichlorosilane ay tinatangay ng hangin sa ibabaw ng mataas na purong buto ng silikon na naka-mount sa dulo ng isang pamalo. Sa paglipas nito, ang mataas na kadalisayan na silikon mula sa gas ay idineposito sa binhi.
Ginagamit din ang fluid bed reactor (FBR) at upgraded metallurgical grade (UMG) na silikon na teknolohiya upang mapahusay ang metal sa polysilicon na angkop para sa photovoltaic industry.
230,000 metric tonelada ng polysilicon ang ginawa noong 2013. Kasama sa mga nangungunang producer ang GCL Poly, Wacker-Chemie, at OCI.
Sa wakas, upang gumawa ng electronics grade silikon na angkop para sa industriya ng semiconductor at ilang mga photovoltaic na teknolohiya, ang polysilicon ay kailangang ma-convert sa isang ultra-pure monocrystal silikon sa pamamagitan ng proseso ng Czochralski.
Upang gawin ito, ang polysilicon ay natunaw sa isang tunawan ng asupre sa 1425 ° C (2597 ° F) sa isang diertong kapaligiran. Ang baras na inangkat na butil ng kristal ay pagkatapos ay malagkit sa binubong metal at dahan-dahang pinaikot at inalis, na nagbibigay ng oras para sa silikon na lumago sa materyal na binhi.
Ang resultang produkto ay isang baras (o boule) ng solong kristal silikon metal na maaaring maging kasing taas ng 99.999999999 (11N) porsiyento dalisay. Ang baras na ito ay maaaring doped na may boron o posporus na kinakailangan upang mag-tweak ang mga quantum mechanical properties ayon sa kinakailangan.
Ang monocrystal rod ay maaaring ipadala sa mga kliyente bilang, o hiniwa sa mga manipis at pinakintab o nakakahawang para sa mga partikular na gumagamit.
Mga Application:
Habang ang halos sampung milyong metrikong tonelada ng ferrosilicon at silikon metal ay pino sa bawat taon, ang karamihan ng silikon na ginagamit sa komersyo ay talagang nasa anyo ng mga silikon na mineral, na ginagamit sa paggawa ng lahat mula sa semento, mortar, at keramika, hanggang salamin at polimer.
Ang Ferrosilicon, gaya ng nabanggit, ay ang pinaka karaniwang ginagamit na anyo ng metal na silikon. Mula noong unang paggamit nito sa paligid ng 150 taon na ang nakalilipas, ang ferrosilicon ay nanatiling isang mahalagang deoxidizing agent sa produksyon ng carbon at hindi kinakalawang na asero . Ngayon, ang smelting ng bakal ay nananatiling pinakamalaking consumer ng ferrosilicon.
Gayunpaman, may mga paggamit ng Ferrosilicon na lampas sa paggawa ng bakal. Ito ay isang pre-haluang metal sa produksyon ng magnesium ferrosilicon, isang nodulizer na ginagamit upang makagawa ng malagkit na bakal, pati na rin sa panahon ng proseso ng Pidgeon para sa pagpino ng mataas na kadalisayan ng magnesiyo.
Ang Ferrosilicon ay maaari ding gamitin upang gumawa ng init at kaagnasan na lumalaban sa ferrous silikon na haluang metal pati na rin ang silikon na bakal, na ginagamit sa paggawa ng mga electro-motors at transpormador na mga core.
Ang metalurhiko silikon ay maaaring gamitin sa steelmaking pati na rin ang isang alloying agent sa aluminum casting. Ang mga bahagi ng kotse ng aluminyo-silikon (Al-Si) ay magaan at mas malakas kaysa sa mga sangkap na pinutol mula sa dalisay na aluminyo. Ang mga bahagi ng sasakyan tulad ng mga bloke ng engine at rims ng goma ay ilan sa mga pinaka-karaniwang mga bahagi ng cast aluminum silikon.
Halos kalahati ng lahat ng metalurhiko silikon ay ginagamit ng industriya ng kemikal upang gumawa ng fumed silica (isang thickening agent at desiccant), silanes (isang coupling agent) at silicone (sealants, adhesives, at lubricants).
Ang photovoltaic grade polysilicon ay pangunahing ginagamit sa paggawa ng polysilicon solar cells. Ang tungkol sa limang tonelada ng polysilicon ay kinakailangan upang makagawa ng isang megawatt ng solar modules.
Sa kasalukuyan, ang polysilicon solar technology ay nagtataglay ng higit sa kalahati ng solar energy na ginawa sa buong mundo, habang ang teknolohiya ng monosilicon ay tumutulong sa halos 35 porsiyento. Sa kabuuan, 90 porsiyento ng solar energy na ginagamit ng mga tao ay tinipon ng teknolohiya na batay sa silikon.
Ang monocrystal silikon ay isang kritikal na materyal na semiconductor na matatagpuan sa modernong electronics. Bilang isang materyal na substrate na ginagamit sa produksyon ng mga field effect transistors (FETs), LEDs at integrated circuits, ang silikon ay matatagpuan sa halos lahat ng mga computer, mga mobile phone, tablet, telebisyon, radyo at iba pang modernong mga aparato sa komunikasyon.
Ito ay tinatayang na higit sa isang-katlo ng lahat ng mga elektronikong aparato na naglalaman ng silicon-based na semiconductor teknolohiya.
Sa huli, ang matigas na silikon karbid ng haluang metal ay ginagamit sa iba't ibang mga electronic at non-electronic na application, kabilang ang sintetiko alahas, mataas na temperatura semiconductors, hard keramika, paggupit tool, preno disc, abrasives, bulletproof vests at heating elemento.
Pinagmulan:
Isang Maikling Kasaysayan ng Steel Alloying at Ferroalloy Production.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri at Seppo Louhenkilpi. Gg
Sa Tungkulin ng Ferroalloys sa Steelmaking. Hunyo 9-13, 2013. Ang ikalabintatlo na International Ferroalloys Congress. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Sundin Terence sa Google+