Logam Profil: Is Silicon a Metal

Silikon logam adalah logam separuh konduktif kelabu dan berkilat yang digunakan untuk menghasilkan keluli, sel suria, dan mikrocip.

Silikon adalah elemen kedua paling banyak di kerak bumi (di belakang hanya oksigen) dan elemen paling umum yang kedelapan di alam semesta. Malah, hampir 30 peratus daripada berat kerak bumi boleh dikaitkan dengan silikon.

Unsur dengan nombor atom 14 secara semula jadi berlaku dalam mineral silikat, termasuk silika, feldspar, dan mika, yang merupakan komponen utama batu-batu umum seperti kuarza dan batu pasir.

Separa logam (atau metaloid), silikon mempunyai beberapa sifat logam dan bukan logam.

Seperti air - tetapi tidak seperti kebanyakan logam - kontrak silikon dalam keadaan cairnya dan berkembang apabila ia menguatkan. Ia mempunyai titik lebur dan didih yang agak tinggi, dan apabila membentuk kristal struktur kristal padu berlian.

Kritikal kepada peranan silikon sebagai semikonduktor dan penggunaannya dalam elektronik adalah struktur atom unsur, yang merangkumi empat elektron valensi yang membolehkan silikon menjadi ikatan dengan elemen lain dengan mudah.

Properties:

• Simbol Atom: Si
• Nombor Atom: 14
• Unsur Kategori: Metalloid
• Ketumpatan: 2. 329g /
• Titik Didih: 5909 ° F (3265 ° C)
• Kekerasan Moh: 7
• Sejarah kimia:

Ahli kimia Sweden Jons Jacob Berzerlius dikreditkan dengan mengasingkan silikon pertama pada tahun 1823. Berzerlius mencapai ini dengan pemanasan potassium metalik (yang baru sahaja terpencil sepuluh tahun terdahulu) dengan fluorosilikat kalium.

Hasilnya adalah silikon amorfus.

Membuat silikon kristal, bagaimanapun, memerlukan lebih banyak masa. Sampel elektrolisis silikon kristal tidak akan dibuat selama tiga dekad lagi.

Penggunaan silikon komersil yang pertama adalah dalam bentuk ferrosilicon.

Berikutan pemodenan industri pembuatan keluli Henry Bessemer pada pertengahan abad ke-19, terdapat minat yang besar terhadap metalurgi keluli dan penyelidikan dalam teknik pembuatan keluli.

Pada masa pengeluaran perindustrian ferrosilikon pertama pada tahun 1880-an, kepentingan silikon dalam meningkatkan kemuluran dalam besi babi dan deoksidizing keluli adalah agak difahami dengan baik.

Pengeluaran awal ferrosilicon dilakukan di dalam relau letupan dengan mengurangkan bijih yang mengandungi silikon dengan arang, yang menghasilkan besi babi perak, ferosilikon dengan kandungan silikon sehingga 20%.

Pengembangan relau arka elektrik pada permulaan abad ke-20 tidak hanya membenarkan pengeluaran keluli yang lebih besar, tetapi juga pengeluaran ferrosilicon yang lebih banyak.

Pada tahun 1903, kumpulan yang mengkhususkan diri dalam pembuatan ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) mula beroperasi di Jerman, Perancis dan Austria dan, pada tahun 1907, kilang silikon komersil pertama di AS ditubuhkan.

Steelmaking bukanlah satu-satunya aplikasi untuk sebatian silikon yang dikomersialkan sebelum akhir abad ke-19.

Untuk menghasilkan berlian buatan pada tahun 1890, Edward Goodrich Acheson memancarkan silikat aluminium dengan serbuk kok dan silikon karbida yang dihasilkan secara kebetulan (SiC).

Tiga tahun kemudian Acheson telah mempatenkan kaedah pengeluarannya dan mengasaskan Syarikat Carborundum (carborundum menjadi nama biasa untuk karbida silikon pada masa itu) untuk tujuan membuat dan menjual produk yang kasar.

Pada awal abad ke-20, sifat konduktif silikon karbida juga telah direalisasikan, dan sebatian itu digunakan sebagai pengesan dalam radio kapal awal. Paten untuk pengesan kristal silikon telah diberikan kepada GW Pickard pada tahun 1906.

Pada tahun 1907, cahaya pertama diod pemancar (LED) dicipta dengan menggunakan voltan pada kristal karbida silikon.

Melalui penggunaan silikon tahun 1930-an berkembang dengan perkembangan produk kimia baru, termasuk silanes dan silikon.

Perkembangan elektronik sejak abad yang lalu juga telah dikaitkan dengan silikon dan sifat uniknya.

Walaupun penciptaan transistor pertama - prekursor untuk mikrocip moden - pada tahun 1940-an bergantung kepada germanium, tidak lama sebelum silikon menggantikan sepupu metalloidnya sebagai bahan semikonduktor substrat yang lebih tahan lama.

Bell Labs dan Texas Instruments mula menghasilkan penghasil transistor berasaskan silikon pada tahun 1954.

Litar bersepadu silikon pertama dibuat pada 1960-an dan, pada tahun 1970-an, pemproses yang mengandungi silikon telah dibangunkan.

Memandangkan teknologi semikonduktor berasaskan silikon membentuk tulang belakang elektronik moden dan pengkomputeran, tidaklah menghairankan bahawa kita merujuk kepada hab aktiviti untuk industri ini sebagai 'Silicon Valley. '

(Untuk melihat sejarah dan perkembangan Lembah Silicon dan teknologi mikrocip, saya sangat mengesyorkan dokumentari Pengalaman Amerika yang bertajuk Silicon Valley).

Tidak lama selepas melancarkan transistor pertama, karya Bell Labs dengan silikon membawa kepada satu kejayaan besar kedua pada tahun 1954: Silikon photovoltaic (solar) pertama.

Sebelum ini, pemikiran memanfaatkan tenaga dari matahari untuk mencipta kuasa di bumi dipercayai mustahil oleh kebanyakannya. Tetapi hanya empat tahun kemudian, pada tahun 1958, satelit pertama yang dikuasai oleh sel solar silikon mengorbit bumi.

Menjelang tahun 1970-an, aplikasi komersil untuk teknologi solar telah berkembang menjadi aplikasi terestrial seperti menyalakan pencahayaan pada pelantar minyak luar pesisir dan lintasan kereta api.

Selama dua dekad yang lalu, penggunaan tenaga solar telah berkembang dengan pesat. Hari ini, teknologi photovoltaic berasaskan silikon menyumbang kira-kira 90 peratus daripada pasaran tenaga suria global.

Pengeluaran:

Sebilangan besar silikon ditapis setiap tahun - kira-kira 80 peratus - dihasilkan sebagai ferrosilicon untuk kegunaan besi dan pembuatan besi. Ferrosilicon boleh mengandungi mana-mana antara 15 hingga 90 peratus silikon bergantung kepada keperluan pelebur.

Aloi besi dan silikon dihasilkan menggunakan relau arka elektrik yang terendam melalui pengurangan peleburan. Bijih bijih silika dan sumber karbon seperti arang batu coking (arang batu metalurgi) dihancurkan dan dimuatkan ke dalam relau bersama-sama besi besi.

Pada suhu melebihi 1900

°

C (3450 ° F), karbon bertindak balas dengan oksigen yang hadir di bijih, membentuk gas karbon monoksida. Sedangkan besi yang tersisa dan silikon, kemudian, menggabungkan untuk membuat ferrosilikon cair, yang dapat dikumpulkan dengan mengetuk dasar relau. Setelah disejukkan dan dikeringkan, ferrosilicon kemudiannya boleh dihantar dan digunakan secara langsung dalam pembuatan besi dan keluli. Kaedah yang sama, tanpa kemasukan besi, digunakan untuk menghasilkan silikon gred logam yang melebihi 99 peratus tulen. Silikon logam juga digunakan dalam peleburan besi, serta pembuatan aloi aluminium dan bahan kimia silane.

Silicon metalurgi diklasifikasikan oleh tahap pencemaran besi, aluminium, dan kalsium dalam aloi. Sebagai contoh, 553 silikon logam mengandungi kurang daripada 0. 5 peratus setiap besi dan aluminium, dan kurang daripada 0. 3 peratus kalsium.

Sekitar 8 juta tan metrik ferrosilikon dihasilkan setiap tahun di seluruh dunia, dengan China menyumbang kira-kira 70 peratus daripada jumlah ini. Pengeluar besar termasuk Kumpulan Metalurgi Erdos, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Kumpulan OM Bahan dan Elkem.

Tambahan 2. 6 juta metrik tan silikon logam - atau kira-kira 20 peratus daripada jumlah silikon logam halus - dihasilkan setiap tahun. China, sekali lagi, menyumbang kira-kira 80 peratus daripada output ini.

Satu kejutan kepada ramai ialah gred silikon dan elektronik akaun silikon hanya sedikit (kurang daripada dua peratus) daripada semua pengeluaran silikon halus.

Untuk menaik taraf kepada silikon logam gred solar (polysilicon), kesucian mesti meningkat ke atas 9999% (6N) silikon tulen. Ini dilakukan melalui salah satu daripada tiga kaedah, yang paling biasa ialah proses Siemens.

Proses Siemens melibatkan pemendapan wap kimia gas mudah berubah yang dikenali sebagai trichlorosilane. Pada 1150

°

C (2102 ° F) trichlorosilane ditiup ke atas biji silikon ketulenan tinggi yang dipasang di hujung batang. Apabila ia berlalu, silikon kemurnian tinggi dari gas disimpan ke dalam benih. Reaktor katil cecair (FBR) dan teknologi silikon gred metalurgi (UMG) yang dinaik taraf juga digunakan untuk meningkatkan logam kepada polysilicon sesuai untuk industri photovoltaic. 230, 000 metrik tan polysilicon dihasilkan pada tahun 2013. Pengeluar terkemuka termasuk GCL Poly, Wacker-Chemie, dan OCI.

Akhir sekali, untuk menjadikan silikon gred elektronik sesuai untuk industri semikonduktor dan teknologi fotovoltaik tertentu, polysilicon mesti ditukarkan kepada silikon monocrystal ultra-tulen melalui proses Czochralski.

Untuk melakukan ini, polysilicon dicairkan dalam larutan 1425

°

C (2597 ° F) dalam suasana yang tidak aktif. Barisan kristal biji benih yang dipasang kemudian dicelupkan ke dalam logam lebur dan perlahan diputar dan dibuang, memberikan masa untuk silikon untuk tumbuh pada bahan benih. Produk yang dihasilkan adalah rod (atau boule) logam silikon kristal tunggal yang boleh setinggi 99. 999999999 (11N) peratus tulen. Batang ini boleh doped dengan boron atau fosforus seperti yang diperlukan untuk mengubah sifat mekanik kuantum seperti yang diperlukan. Batang monocrystal boleh dihantar ke pelanggan sama ada, atau dihiris ke wafer dan digilap atau bertekstur untuk pengguna tertentu.

Aplikasi:

Walaupun kira-kira sepuluh juta tan metrik ferrosilikon dan silikon logam diperbaharui setiap tahun, majoriti silikon yang digunakan secara komersil sebenarnya dalam bentuk mineral silikon, yang digunakan dalam pembuatan semua dari simen, mortar, dan seramik, hingga kaca dan polimer.

Ferrosilicon, seperti yang dinyatakan, adalah silikon logam yang paling biasa digunakan. Sejak digunakan pertama sekitar 150 tahun yang lalu, ferrosilicon kekal sebagai ejen deoksidator penting dalam pengeluaran karbon dan keluli tahan karat. Hari ini, peleburan besi kekal sebagai pengguna terbesar ferrosilicon.

Ferrosilicon mempunyai beberapa kegunaan di luar pembuatan keluli. Ia adalah pra-aloi dalam pengeluaran magnesium ferrosilicon, nodulizer yang digunakan untuk menghasilkan besi mulur, serta semasa proses Pidgeon untuk menapis magnesium kemurnian tinggi.

Ferrosilicon juga boleh digunakan untuk membuat haba dan karat silikon ferrous tahan karat serta keluli silikon, yang digunakan dalam pembuatan elektro-motor dan teras pengubah.

Silikon logam boleh digunakan dalam pembuatan keluli serta agen pengaloi dalam pemutus aluminium. Bahagian-bahagian kereta aluminium-silikon (Al-Si) adalah ringan dan lebih kuat daripada komponen yang dibuang daripada aluminium tulen. Bahagian automotif seperti blok enjin dan rim tayar adalah sebahagian daripada bahagian silikon aluminium yang paling biasa.

Hampir separuh daripada semua silikon metalurgi digunakan oleh industri kimia untuk membuat silika fumed (agen penebalan dan bahan pengering), silanes (ejen gandingan) dan silikon (pengedap, perekat, dan pelincir).

Polysilicon gred fotovoltaik terutamanya digunakan dalam pembuatan sel solar polysilicon. Sekitar lima tan polysilicon diperlukan untuk membuat satu megawatt modul solar.

Pada masa ini, teknologi solar polysilicon menyumbang lebih daripada separuh tenaga solar yang dihasilkan di seluruh dunia, sementara teknologi monosilicon menyumbang kira-kira 35 peratus. Secara keseluruhan, 90 peratus tenaga solar yang digunakan oleh manusia dikumpulkan oleh teknologi berasaskan silikon.

Monocrystal silikon juga bahan semikonduktor kritikal yang terdapat dalam elektronik moden. Sebagai bahan substrat yang digunakan dalam pengeluaran transistor kesan medan (FET), LED dan litar bersepadu, silicon boleh didapati di hampir semua komputer, telefon bimbit, tablet, televisyen, radio dan peranti komunikasi moden yang lain.

Diperkirakan lebih daripada satu pertiga daripada semua peranti elektronik mengandungi teknologi semikonduktor berasaskan silikon.

Akhirnya, karbida silikon aloi keras digunakan dalam pelbagai aplikasi elektronik dan bukan elektronik, termasuk perhiasan sintetik, semikonduktor suhu tinggi, seramik keras, alat pemotong, cakera brek, pengilat, rompi peluru dan unsur pemanasan.

Sumber:

Sejarah Singkat Pengeluaran Keluli dan Pengeluaran Ferroalloy.

URL: // www. urm-company. com / images / docs / steel-alloying-history. pdf

Holappa, Lauri dan Seppo Louhenkilpi.
Mengenai Peranan Ferroalloys dalam Steelmaking.
9-13 Jun 2013. Kongres Ferroalloy Antarabangsa ke-13. URL: // www. pyrometallurgy. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

Ikut Terence di Google+