המאפיינים והשימושים של סיליקון מתכת

מתכת סיליקון היא מתכת מוליכה למחצה אפורה ומוארת המשמשת לייצור פלדה, תאים סולאריים ומיקרו-שבבים. הסיליקון הוא היסוד השני בשכיחותו בקרום כדור הארץ (מאחורי חמצן בלבד) והיסוד השמיני-הנפוץ ביקום. כמעט 30 אחוז ממשקל קרום כדור הארץ ניתן לייחס לסיליקון.

היסוד עם האטום מספר 14 מתרחש באופן טבעי במינרלים של סיליקט, כולל סיליקה, כרית שדה ונציץ, המהווים מרכיבים עיקריים בסלעים נפוצים כמו קוורץ ואבן חול. חצי מתכת (או מתכתי), הסיליקון הוא בעל תכונות מסוימות של מתכות וגם של לא מתכות.

כמו מים - אך בניגוד לרוב המתכות - הסיליקון מתכווץ במצבו הנוזלי ומתרחב ככל שהוא מתמצק. יש לו נקודות התכה ורתיחה גבוהות יחסית, וכשמגובשים נוצר מבנה גביש מעוקב. קריטי לתפקיד הסיליקון כמוליך למחצה ושימושו באלקטרוניקה הוא האטום של היסוד מבנה, הכולל ארבעה אלקטרונים של valence המאפשרים לסיליקון להתחבר לאלמנטים אחרים בקלות.

• סמל אטומי: Si
• מספר אטומי: 14
• קטגוריית אלמנטים: מטאלואיד
• צפיפות: 2.329 גרם / ס"מ 3
• נקודת התכה: 1414 מעלות צלזיוס
• נקודת רתיחה: 3265 מעלות צלזיוס
• קשיותו של מו: 7

הכימאי השבדי ג'ונס ג'ייקוב ברצרליוס זוכה לזכות הבידוד הראשון של הסיליקון בשנת 1823. Berzerlius השיג זאת באמצעות חימום אשלגן מתכתי (שהיה מבודד רק עשור קודם לכן) בכור היתוך יחד עם אשלגן פלואוריליליקט. התוצאה הייתה סיליקון אמורפי.

ייצור סיליקון גבישי, לעומת זאת, דרש זמן רב יותר. מדגם אלקטרוליטי של סיליקון גבישי לא ייעשה במשך שלושה עשורים נוספים. השימוש המסחרי הראשון בסיליקון היה בצורת פרוסיליקון.

בעקבות הנרי בסמר מודרניזציה של תעשיית ייצור הפלדה באמצע המאה ה -19 היה עניין רב ב פלדה מטלורגיה ומחקר בטכניקות ייצור פלדה. בזמן הייצור התעשייתי הראשון של פרוסיליקון בשנות השמונים של המאה ה -19, חשיבותו של הסיליקון בשיפור משיכות בחזיר ברזל ופלדת deoxidizing הובנה למדי.

ייצור מוקדם של פרוסיליקון נעשה בתנורי פיצוץ על ידי הפחתת עפרות המכילות סיליקון בעזרת פחם, שהביאו לברזל חזיר כסוף, פרוסיליקון בעל אחוז סיליקון של עד 20 אחוז.

התפתחות תנורי קשת חשמליים בתחילת המאה העשרים אפשרה לא רק ייצור פלדה גדול יותר, אלא גם יותר ייצור פרוסיליקון. בשנת 1903 החלה קבוצה המתמחה בהכנת סגסוגת החפץ (Compagnie Generate d'Electrochimie). הפעילות בגרמניה, צרפת ואוסטריה ובשנת 1907 מפעל הסיליקון המסחרי הראשון בארה"ב נוסד.

ייצור פלדה לא היה היישום היחיד לתרכובות סיליקון המסחריות לפני סוף המאה ה -19. כדי לייצר יהלומים מלאכותיים בשנת 1890, אדוארד גודריץ 'אכסון מחמם סיליקט אלומיניום עם אבקת קוקה ואגב סיליקון קרביד (SiC).

שלוש שנים לאחר מכן אחסון רשם פטנט על שיטת הייצור שלו והקים את חברת Carborundum (Carborundum) היותו שם נפוץ לסיליקון קרביד באותה עת) לצורך ייצור ומכירה של שוחקים מוצרים.

בראשית המאה העשרים התגשמו גם תכונותיו המוליכות של סיליקון קרביד, והמתחם שימש כגלאי ברדיו ספינות מוקדמות. פטנט לגלאי קריסטל סיליקון הוענק ל- GW פיקארד בשנת 1906.

בשנת 1907 נוצר הדיודה הפולטת הראשונה (LED) על ידי הפעלת מתח על גבישי סיליקון קרביד. במהלך שנות השלושים של המאה הקודמת גדל השימוש בסיליקון עם התפתחותם של מוצרים כימיים חדשים, כולל סילאנים וסיליקונים. צמיחת האלקטרוניקה במאה האחרונה קשורה באופן בלתי ניתן לסיליקון ולתכונותיו הייחודיות.

ואילו יצירת הטרנזיסטורים הראשונים - מבשרי המיקרו-שבבים המודרניים - הסתמכה על שנות הארבעים גרמניוםלא עבר זמן רב והסיליקון החליף את בן דודו המתכתי כחומר מוליכים למחצה מצע עמיד יותר. מעבדות בל וטקסס אינסטרומנטס החלו לייצר טרנזיסטורים מבוססי סיליקון בשנת 1954.

המעגלים המשולבים הראשונים בסיליקון נוצרו בשנות השישים, ועד שנות השבעים פותחו מעבדים המכילים סיליקון. בהתחשב בכך שטכנולוגיית מוליכים למחצה מבוססי סיליקון מהווה את עמוד השדרה של האלקטרוניקה המודרנית מחשוב, אין להתפלא שאנחנו מתייחסים למרכז הפעילות בענף זה כ"סיליקון " עמק. '

(למבט מפורט על ההיסטוריה וההתפתחות של עמק הסיליקון וטכנולוגיית המיקרו-צ'יפס, אני ממליץ בחום על הסרט התיעודי האמריקני Experience שנקרא Silicon Valley). זמן לא רב לאחר שחשף את הטרנזיסטורים הראשונים, עבודות של בל מעבדות עם סיליקון הובילו לפריצת דרך משמעותית שנייה בשנת 1954: התא פוטו-וולטאי (סולארי) ראשון מסיליקון.

לפני כן, האמינו לרוב המחשבה לרתום אנרגיה מהשמש ליצירת כוח על פני האדמה כבלתי אפשרית. אבל רק ארבע שנים מאוחר יותר, בשנת 1958, הלוויין הראשון המופעל על ידי תאים סולאריים מסיליקון הקיף את כדור הארץ.

בשנות השבעים של המאה הקודמת, יישומים מסחריים לטכנולוגיות סולאריות הפכו ליישומים יבשתיים כמו הדלקת תאורה על אסדות נפט מחוץ למים ומעברי רכבת. במהלך שני העשורים האחרונים השימוש באנרגיה סולארית גדל באופן אקספוננציאלי. כיום טכנולוגיות פוטו וולטאיות מבוססות סיליקון מהוות כ 90 אחוז משוק האנרגיה הסולארית העולמית.

רוב הסיליקון המזוקק מדי שנה - כ 80 אחוז - מיוצר כפרוסיליקון לשימוש בברזל יצירת מתכות. פרוסיליקון יכול להכיל בכל מקום בין 15 ל 90 אחוז סיליקון בהתאם לדרישות המפעל.

ה סגסוגת של ברזל וסיליקון מיוצר באמצעות תנור קשת חשמלי שקוע באמצעות התכת הפחתה. עפרות עשירות סיליקה ומקור פחמן כמו פחם קוקאקי (פחם מתכות) נמחצים ומועמסים לתנור יחד עם ברזל גרוטאות.

בטמפרטורות מעל 1900°ג (3450°F), הפחמן מגיב עם החמצן הקיים בעפרה ויוצר גז פחמן חד חמצני. בינתיים, הברזל והסיליקון הנותרים מתחברים לייצור פרוסיליקון מותך, שניתן לאסוף באמצעות הקשה על בסיס הכבשן. לאחר שהתקרר והתקשה, ניתן לאחר מכן לשלוח את פרוסיליקון ולהשתמש ישירות בייצור ברזל ופלדה.

אותה שיטה, ללא הכללת ברזל, משמשת לייצור סיליקון בכיתה מתכות שגדולה מ -99 אחוז טהור. סיליקון מטלורגי משמש גם להתכת פלדה, כמו גם לייצור סגסוגות יצוק אלומיניום וכימיקלים סילאן.

סיליקון מתכות מסווג לפי רמות הטומאה של ברזל, אלומיניום, וסידן הקיים בסגסוגת. לדוגמא, 553 מתכת סיליקון מכילה פחות מ- 0.5 אחוז מכל ברזל ואלומיניום, ופחות מ- 0.3 אחוז סידן.

כ -8 מיליון טונות של ferrosilicon מיוצרים בכל שנה ברחבי העולם, כאשר סין מהווה כ -70 אחוז מכלל זה. יצרנים גדולים כוללים את Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials, ו Elkem.

מיוצר מדי שנה 2.6 מיליון טונות סיליקון מתכות - או בערך 20 אחוז מסך המתכת הסיליקון המזוקק. סין, שוב, מהווה כ 80 אחוז מהתפוקה הזו. הפתעה עבור רבים היא שציונים סילוניים ואלקטרוניים של סיליקון מהווים רק כמות קטנה (פחות משני אחוזים) מכל ייצור הסיליקון המזוקק. כדי לשדרג למתכת סיליקון בדרגה סולארית (פוליסיליקון), על הטוהר לעלות כלפי מעלה של 99.9999% (6N) סיליקון טהור. זה נעשה באמצעות אחת משלוש שיטות, כאשר הנפוצה ביותר היא תהליך סימנס.

תהליך סימנס כולל תצהיר אדי כימי של גז נדיף המכונה trichlorosilane. בשעה 1150°ג (2102)°ו) טריכילורוסילאן מפוצץ מעל זרע סיליקון טוהר גבוה המותקן בקצה מוט. בזמן שהוא עובר, סיליקון בעל טוהר גבוה מהגז מופקד על הזרע.

הכור למיטה נוזלית (FBR) וטכנולוגיית סיליקון משודרגת כיתה (UMG) משמשים גם לשיפור המתכת לפוליסיליקון המתאים לתעשייה הפוטו-וולטאית. מאתיים שלושים אלף טון פוליסיליקון הופקו בשנת 2013. המפיקים המובילים כוללים GCL Poly, Wacker-Chemie ו- OCI.

לבסוף, כדי להפוך סיליקון בכיתה אלקטרונית מתאים לתעשיית המוליכים למחצה ובטוח טכנולוגיות פוטו-וולטאיות, חייבים להמיר פוליסיליקון לסיליקון חד-גביש-טהור במיוחד דרך ה- תהליך צ'וצ'רלסקי. לשם כך נמס הפוליסיליקון בכור היתוך בשנת 1425°ג (2597)°ו) באווירה אינרטית. גביש זרע רכוב מוט טובל אז במתכת המותכת וסובב לאט וסולק, מה שמאפשר זמן לסיליקון לצמוח על חומר הזרע.

המוצר שהתקבל הוא מוט (או בול) של מתכת סיליקון קריסטלית יחידה שיכולה להיות גבוהה ככל 99.999999999 (11N) אחוז טהור. ניתן לטוות מוט זה עם בור או זרחן כנדרש בכדי לצבוט את התכונות המכניות הקוונטיות כנדרש. ניתן לשלוח את מוט המונוקריסטל ללקוחות כמות שהם, או לפרוס אותם לפלים וללטש או למרקם למשתמשים ספציפיים.

בעוד שכמעט עשרה מיליון טונות מטריים של פרוסיליקון ומתכת סיליקון מזוקקים בכל שנה, רוב הסיליקון המשמש באופן מסחרי הוא למעשה בצורה של מינרלים מסיליקון, המשמשים לייצור כל דבר, החל ממלט, טיט, וקרמיקה, לזכוכית ו פולימרים.

פרוסיליקון, כאמור, הוא הצורה הנפוצה ביותר של סיליקון מתכתי. מאז השימוש הראשון בו לפני כ -150 שנה, פרוסיליקון נותר סוכן deoxidizing חשוב בייצור פחמן ו פלדת אל - חלד. התכת פלדה נותרה כיום הצרכן הגדול ביותר של פרוסיליקון.

לפרוסיליקון יש מספר שימושים מעבר לייצור פלדה. זהו סגסוגת טרום בייצור של מגנזיום ferrosilicon, מזין המשמש לייצור ברזל רקיע, כמו גם במהלך תהליך הפידגון לזיקוק מגנזיום טהור גבוה. פרוסיליקון יכול לשמש גם לייצור חום ו קורוזיה סגסוגות סיליקון ברזליות עמידות כמו גם פלדת סיליקון המשמשת לייצור אלקטרו-מנועים וליבות שנאי.

ניתן להשתמש בסיליקון מטלורגי בייצור פלדה, כמו גם כחומר סגסוגת ליציקת אלומיניום. חלקי רכב אלומיניום-סיליקון (Al-Si) קלים וחזקים יותר מרכיבים המופקים מאלומיניום טהור. חלקי רכב כגון בלוקי מנוע וחישוקי צמיגים הם חלק מחלקי הסיליקון האלומיניום המוצקים הנפוצים ביותר.

כמעט מחצית מכל הסיליקון המתכתי משמש על ידי התעשייה הכימית לייצור סיליקה חיטוי (א חומר עיבוי ומייבש), סילאן (חומר צימוד) וסיליקון (חומרי איטום, דבקים, חומרי סיכה). פוליסיליקון פוטו-וולטאי משמש בעיקר לייצור תאי שמש פוליסיליקון. כחמש טון של פוליסיליקון דרושים לייצור מגה-וואט אחד של מודולים סולאריים.

נכון לעכשיו, טכנולוגיית השמש הפוליסיליקון מהווה יותר ממחצית האנרגיה הסולארית המיוצרת ברחבי העולם, ואילו הטכנולוגיה החד-סיליקונית תורמת כ -35 אחוזים. בסך הכל, 90 אחוזים מהאנרגיה הסולארית המשמשת בני אדם נאספים על ידי טכנולוגיה מבוססת סיליקון.

סיליקון מונוקריפט הוא גם חומר מוליך למחצה קריטי שנמצא באלקטרוניקה מודרנית. כחומר מצע המשמש בייצור טרנזיסטורי אפקט שדה (FET), נוריות LED ומעגלים משולבים, סיליקון ניתן למצוא כמעט בכל המחשבים, הטלפונים הניידים, הטאבלטים, הטלוויזיות, מכשירי הרדיו ותקשורת מודרנית אחרת מכשירים. ההערכה היא כי יותר משליש מכל המכשירים האלקטרוניים מכילים טכנולוגית מוליכים למחצה מבוססת סיליקון.

לבסוף משתמשים בסיליקון קרביד מסגסוגת קשה במגוון יישומים אלקטרוניים ולא אלקטרוניים, כולל סינתטיים תכשיטים, מוליכים למחצה בטמפרטורה גבוהה, קרמיקה קשה, כלי חיתוך, דיסקי בלמים, שוחקים, אפודים חסרי כדורים וחימום אלמנטים.

היסטוריה קצרה של סגסוגת פלדה וייצור סגסוגת Ferro.
כתובת אתר: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
הולאפה, לורי וספו לוהנקילפי.

על התפקיד של סגסוגות הברזל בסטלמייקינג. 9-13 ביוני, 2013. הקונגרס הבינלאומי השלוש-עשר לחלוקת הכוכבים. כתובת אתר: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf