Metallprofil: Ist Silizium ein Metall

Siliziummetall ist ein graues und glänzendes halbleitendes Metall, das zur Herstellung von Stahl, Solarzellen und Mikrochips verwendet wird.

Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste (hinter nur Sauerstoff) und das achthäufigste Element im Universum. In der Tat können fast 30 Prozent des Gewichts der Erdkruste auf Silizium zurückgeführt werden.

Das Element mit der Ordnungszahl 14 kommt natürlicherweise in Silikatmineralien vor, einschließlich Siliziumdioxid, Feldspat und Glimmer, die Hauptbestandteile von gewöhnlichem Gestein wie Quarz und Sandstein sind.

Als Halbmetall (oder Metalloid) besitzt Silicium einige Eigenschaften sowohl von Metallen als auch von Nichtmetallen.

Wie Wasser - im Gegensatz zu den meisten Metallen - zieht sich das Silizium im flüssigen Zustand zusammen und dehnt sich beim Erstarren aus. Es hat relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte und bildet beim Kristallisieren eine kubische Diamantkristallstruktur.

Entscheidend für die Rolle von Silizium als Halbleiter und seine Verwendung in der Elektronik ist die atomare Struktur des Elements, die vier Valenzelektronen enthält, die es Silizium ermöglichen, sich mit anderen Elementen ohne weiteres zu verbinden.

Eigenschaften:

• Atomsymbol: Si
• Ordnungszahl: 14
• Element Kategorie: Metalloid
• Dichte: 2. 329g / cm3
• Schmelzpunkt: 2577 ° F (1414 ° C)
• Siedepunkt: 5909 ° F (3265 ° C)
• Mohs-Härte: 7

Geschichte:

Dem schwedischen Chemiker Jons Jacob Berzerlius wird 1823 das erste isolierende Silizium zugeschrieben. Berzerlius erreichte dies, indem er metallisches Kalium (das nur ein Jahrzehnt zuvor isoliert worden war) in einem Tiegel erhitzte. mit Kaliumfluorsilikat.

Das Ergebnis war amorphes Silizium.

Die Herstellung von kristallinem Silizium erforderte jedoch mehr Zeit. Eine elektrolytische Probe von kristallinem Silizium würde für weitere drei Jahrzehnte nicht hergestellt werden.

Die erste kommerzielle Verwendung von Silicium erfolgte in Form von Ferrosilicium.

Nach der Modernisierung der Stahlindustrie durch Henry Bessemer Mitte des 19. Jahrhunderts gab es großes Interesse an der Stahlmetallurgie und an der Erforschung der Stahlherstellung.

Zum Zeitpunkt der ersten industriellen Produktion von Ferrosilicium in den 1880er Jahren wurde die Bedeutung von Silicium für die Verbesserung der Duktilität in Roheisen und desoxidierendem Stahl ziemlich gut verstanden.

Eine frühzeitige Herstellung von Ferrosilicium erfolgte in Hochöfen durch Reduktion siliziumhaltiger Erze mit Holzkohle, was zu silbernem Roheisen führte, einem Ferrosilicium mit bis zu 20 Prozent Siliziumgehalt.

Die Entwicklung von Lichtbogenöfen zu Beginn des 20. Jahrhunderts ermöglichte nicht nur eine höhere Stahlproduktion, sondern auch eine höhere Ferrosiliciumproduktion.

Im Jahr 1903 wurde eine Gruppe, die auf die Herstellung der Ferrolegierung (Compagnie Generate d'Electrochimie) spezialisiert war, in Deutschland, Frankreich und Österreich in Betrieb genommen. 1907 wurde die erste kommerzielle Siliziumanlage in den USA gegründet.

Die Stahlerzeugung war nicht die einzige Anwendung für Siliziumverbindungen, die vor dem Ende des 19. Jahrhunderts kommerzialisiert wurden.

Um 1890 künstliche Diamanten herzustellen, erhitzte Edward Goodrich Acheson Aluminiumsilikat mit pulverisiertem Koks und produzierte zufällig Siliciumcarbid (SiC).

Drei Jahre später hatte Acheson sein Herstellungsverfahren patentieren lassen und gründete Carborundum Company (Carborundum war zu dieser Zeit der gebräuchliche Name für Siliziumkarbid), um Schleifprodukte herzustellen und zu verkaufen.

Zu ​​Beginn des 20. Jahrhunderts wurden auch die leitfähigen Eigenschaften von Siliziumkarbid realisiert und die Verbindung wurde als Detektor in frühen Schiffsfunkgeräten verwendet. Ein Patent für Siliziumkristalldetektoren wurde GW Pickard 1906 erteilt.

1907 wurde die erste Leuchtdiode (LED) durch Anlegen einer Spannung an einen Siliziumkarbidkristall erzeugt.

In den 1930er Jahren wuchs der Einsatz von Silicium mit der Entwicklung neuer chemischer Produkte, einschließlich Silanen und Silikonen.

Das Wachstum der Elektronik im letzten Jahrhundert war auch untrennbar mit dem Silizium und seinen einzigartigen Eigenschaften verbunden.

Während die ersten Transistoren - die Vorläufer moderner Mikrochips - in den 1940er Jahren auf Germanium basierten, dauerte es nicht lange, bis Silizium seinen metalloiden Cousin als haltbareres Substrathalbleitermaterial verdrängte.

Bell Labs und Texas Instruments begannen 1954 mit der kommerziellen Herstellung von Transistoren auf Siliziumbasis.

Die ersten integrierten Schaltkreise aus Silizium wurden in den 1960er Jahren hergestellt und in den 1970er Jahren wurden siliziumhaltige Prozessoren entwickelt.

Angesichts der Tatsache, dass die siliziumbasierte Halbleitertechnologie das Rückgrat der modernen Elektronik und Informatik bildet, sollte es nicht überraschen, dass wir uns auf die Drehscheibe für diese Branche als "Silicon Valley" beziehen. "

(Für einen detaillierten Einblick in die Geschichte und Entwicklung des Silicon Valley und der Mikrochip-Technologie empfehle ich die American-Experience-Dokumentation Silicon Valley).

Nicht lange nach der Enthüllung der ersten Transistoren führte die Arbeit von Bell Labs mit Silizium zu einem zweiten großen Durchbruch im Jahr 1954: Die erste Silizium-Photovoltaik (Solarzelle).

Vorher wurde der Gedanke, Energie von der Sonne zu nutzen, um auf der Erde Macht zu erzeugen, von den meisten als unmöglich angesehen. Aber nur vier Jahre später, im Jahr 1958, umkreiste der erste mit Silizium-Solarzellen betriebene Satellit die Erde.

In den 1970er Jahren waren kommerzielle Anwendungen für Solartechnologien auf terrestrische Anwendungen angewachsen, wie z. B. die Beleuchtung von Offshore-Bohrinseln und Bahnübergängen.

In den letzten zwei Jahrzehnten ist die Nutzung von Sonnenenergie exponentiell gewachsen. Heute machen Silizium-basierte Photovoltaik-Technologien etwa 90 Prozent des weltweiten Solarenergiemarktes aus.

Produktion:

Der Großteil des jährlich veredelten Siliziums - etwa 80 Prozent - wird als Ferrosilizium für die Eisen- und Stahlerzeugung hergestellt. Ferrosilicium kann je nach den Anforderungen der Schmelzer irgendwo zwischen 15 und 90 Prozent Silizium enthalten.

Die Legierung aus Eisen und Silizium wird in einem Tauchelektrolichtbogenofen durch Reduktionsschmelzen hergestellt. Quarzreiches Erz und eine Kohlenstoffquelle wie Kokskohle (metallurgische Kohle) wird zerkleinert und zusammen mit Schrott in den Ofen geladen.

Bei Temperaturen über 1900 999 ° C (3450 999 ° 999 F) reagiert Kohlenstoff mit dem im Erz vorhandenen Sauerstoff unter Bildung von Kohlenmonoxidgas. Das restliche Eisen und Silizium verbinden sich dann, um geschmolzenes Ferrosilicium herzustellen, das durch Klopfen der Basis des Ofens gesammelt werden kann. Nach dem Abkühlen und Aushärten kann das Ferrosilicium direkt in der Eisen- und Stahlherstellung verschifft und verwendet werden. Die gleiche Methode, ohne die Einbeziehung von Eisen, wird verwendet, um metallurgisches Silizium herzustellen, das zu mehr als 99% rein ist. Metallurgisches Silizium wird auch bei der Stahlschmelze sowie bei der Herstellung von Aluminiumgusslegierungen und Silanchemikalien eingesetzt. Metallurgisches Silicium wird nach den in der Legierung vorhandenen Verunreinigungsgraden von Eisen, Aluminium und Calcium klassifiziert. Zum Beispiel enthält 553 Siliciummetall weniger als 0,5% von jedem Eisen und Aluminium und weniger als 0,3% Calcium. Etwa 8 Millionen Tonnen Ferrosilicium werden jedes Jahr weltweit produziert, wobei China etwa 70 Prozent davon ausmacht. Zu den großen Produzenten gehören 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 raffinierten Siliciummetalls - werden jährlich produziert. China macht wiederum rund 80 Prozent dieser Produktion aus.

Eine Überraschung für viele ist, dass die Silizium- und Elektroniksorten nur einen kleinen Anteil (weniger als zwei Prozent) der gesamten raffinierten Siliziumproduktion ausmachen.

Um auf Solarsiliziummetall (Polysilizium) aufzurüsten, muss die Reinheit auf über 99. 9999% (6N) reines Silizium steigen. Dies geschieht über eine von drei Methoden, am häufigsten ist der Siemens-Prozess.

Der Siemens-Prozess beinhaltet die chemische Gasphasenabscheidung eines flüchtigen Gases, das als Trichlorsilan bekannt ist. Bei 1150 ° C bis 999 ° C (21029999 ° F) wird Trichlorsilan über ein am Ende eines Stabes angebrachtes hochreines Silizium-Saatgut geblasen. Beim Übergang wird hochreines Silizium aus dem Gas auf das Saatgut abgeschieden.

Fließbett-Reaktor (FBR) und verbesserte metallurgische Qualität (UMG) Silizium-Technologie werden auch verwendet, um das Metall auf Polysilizium für die Photovoltaik-Industrie zu verbessern.

230.000 Tonnen Polysilizium wurden 2013 hergestellt. Zu den führenden Herstellern gehören GCL Poly, Wacker-Chemie und OCI.

Schließlich muss Polysilizium über das Czochralski-Verfahren in ein hochreines Einkristallsilizium umgewandelt werden, um für die Halbleiterindustrie und bestimmte Photovoltaiktechnologien geeignetes Elektroniksilizium herzustellen.

Hierzu wird das Polysilizium in einem Tiegel bei 1425 ° C (2597 ° F) in einer inerten Atmosphäre geschmolzen. Ein stabförmiger 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 eine Kugel) aus einkristallinem Siliziummetall, das so hoch wie 99,999999999 (11 N) Prozent rein sein kann. Dieser Stab kann mit Bor oder Phosphor dotiert sein, wie es erforderlich ist, um die quantenmechanischen Eigenschaften nach Bedarf zu optimieren.

Der Monokristallstab kann so wie er ist zu Kunden verschickt oder zu Wafern geschnitten und für bestimmte Benutzer poliert oder texturiert werden.

Anwendungen:

Während etwa zehn Millionen Tonnen Ferrosilicium und Siliciummetall jedes Jahr raffiniert werden, besteht der Großteil des kommerziell genutzten Siliziums tatsächlich in Form von Siliciummineralien, die bei der Herstellung von allem aus Zement verwendet werden. Mörtel und Keramik, Glas und Polymere.

Ferrosilicium ist, wie erwähnt, die am häufigsten verwendete Form von metallischem Silicium. Seit seiner ersten Verwendung vor rund 150 Jahren ist Ferrosilicium ein wichtiges Desoxidationsmittel bei der Herstellung von Kohlenstoff und Edelstahl geblieben. Stahlschmelze bleibt heute der größte Verbraucher von Ferrosilicium. Ferrosilizium hat eine Reihe von Anwendungen, die über die Stahlherstellung hinausgehen. Es ist eine Vorlegierung bei der Herstellung von Magnesium-Ferrosilicium, einem Nodulierer, der zur Herstellung von duktilem Eisen verwendet wird, sowie während des Pidgeon-Prozesses zur Veredelung von hochreinem Magnesium. Ferrosilizium kann auch zur Herstellung von hitze- und korrosionsbeständigen Eisen-Silizium-Legierungen sowie von Siliziumstahl verwendet werden, der bei der Herstellung von Elektromotoren und Transformatorkernen verwendet wird. Metallurgisches Silizium kann in der Stahlerzeugung sowie als Legierungsmittel im Aluminiumguss eingesetzt werden. Aluminium-Silizium (Al-Si) Autoteile sind leicht und stärker als Bauteile aus Reinaluminium. Automobilteile wie Motorblöcke und Reifenfelgen gehören zu den am häufigsten verwendeten Aluminiumgussteilen aus Silizium. Fast die Hälfte des gesamten metallurgischen Siliziums wird von der chemischen Industrie zur Herstellung von pyrogener Kieselsäure (Verdickungsmittel und Trockenmittel), Silanen (einem Haftvermittler) und Silikon (Dichtungsmassen, Klebstoffe und Schmiermittel) verwendet.

Photovoltaik-Polysilizium wird hauptsächlich bei der Herstellung von Polysiliciumsolarzellen verwendet. Etwa fünf Tonnen Polysilicium werden benötigt, um ein Megawatt Solarmodul herzustellen.

Derzeit macht die Polysilizium-Solartechnologie mehr als die Hälfte der weltweit erzeugten Solarenergie aus, während die Monosilizium-Technologie rund 35 Prozent beiträgt. Insgesamt werden 90 Prozent der vom Menschen genutzten Sonnenenergie durch Silizium-basierte Technologie gewonnen.

Monokristallines Silizium ist auch ein kritisches Halbleitermaterial, das in der modernen Elektronik zu finden ist. Als Substratmaterial für die Herstellung von Feldeffekttransistoren (FETs), LEDs und integrierten Schaltungen ist Silizium in nahezu allen Computern, Mobiltelefonen, Tablets, Fernsehgeräten, Radios und anderen modernen Kommunikationsgeräten zu finden.

Es wird geschätzt, dass mehr als ein Drittel aller elektronischen Geräte Silizium-basierte Halbleitertechnologie enthält.

Schließlich wird das Hartlegierungs-Siliciumcarbid in einer Vielzahl von elektronischen und nicht-elektronischen Anwendungen verwendet, einschließlich synthetischen Schmucks, Hochtemperatur-Halbleitern, Hartkeramik, Schneidewerkzeugen, Bremsscheiben, Schleifmitteln, kugelsicheren Westen und Heizelementen.

Quellen:

Eine kurze Geschichte der Stahllegierung und der Herstellung von Ferrolegierungen.

URL: // www. Ur-Firma. com / images / docs / Stahllegierungsgeschichte. pdf

Holappa, Lauri und Seppo Louhenkilpi.

Zur Rolle von Ferrolegierungen in der Stahlerzeugung.

9.-13. Juni 2013. Der 13. Internationale Kongress für Ferrolegierungen. URL: // www. Pyrometallurgie. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

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