نظرة على السيليكون شبه المعدنية
معدن السليكون هو معدن شبه رمادي لامع يستخدم في تصنيع الفولاذ والخلايا الشمسية والرقائق الدقيقة.
السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض (خلف الأكسجين فقط) والثامن العنصر الأكثر شيوعًا في الكون. في الواقع ، ما يقرب من 30 في المئة من وزن قشرة الأرض يمكن أن يعزى إلى السيليكون.
يحدث العنصر ذو العدد الذري 14 بشكل طبيعي في معادن السيليكات ، بما في ذلك السيليكا والفلدسبار والميكا ، وهي مكونات رئيسية للصخور المشتركة مثل الكوارتز والحجر الرملي.
شبه معدني (أو metalloid ) ، السيليكون يمتلك بعض خصائص كل من المعادن وغير المعادن.
مثل الماء - ولكن خلافا لمعظم المعادن - عقود السليكون في حالتها السائلة وتتوسع مع ترسخها. له نسب ذوبان وغليان عالية نسبياً ، وعندما يتبلور يشكل بنية بلورية مكعبة مكعبة.
ومن العناصر المهمة لدور السيليكون كأشباه الموصلات واستخدامه في الإلكترونيات ، البنية الذرية للعنصر ، والتي تتضمن أربعة إلكترونات تكافؤ تسمح للسيليكون بالترابط مع العناصر الأخرى بسهولة.
الخصائص:
- الرمز الذري: Si
- العدد الذري: 14
- فئة العنصر: Metalloid
- الكثافة: 2.329g / cm3
- نقطة الانصهار: 2577 درجة فهرنهايت (1414 درجة مئوية)
- نقطة الغليان: 5909 درجة فهرنهايت (3265 درجة مئوية)
- صلابة محمد: 7
التاريخ:
يعود الفضل إلى الكيميائي السويدي جونز جاكوب بيرتارليوس في أول عازل للسيليكون في عام 1823. وقد أنجز بيرزيليوس ذلك بتسخين البوتاسيوم المعدني (الذي كان قد تم عزله قبل عقد من الزمن فقط) في بوتقة إلى جانب البوتاسيوم الفلوروسيليكات.
وكانت النتيجة السيليكون غير متبلور.
لكن صنع السيليكون البلوري يتطلب المزيد من الوقت. لن يتم إجراء عينة إلكتروليتية من السيليكون البلوري لمدة ثلاثة عقود أخرى.
كان أول استخدام تجاري للسيليكون في شكل فيروزيليكون.
بعد تحديث هنري بسمر لصناعة صناعة الصلب في منتصف القرن التاسع عشر ، كان هناك اهتمام كبير بتعدين الصلب والأبحاث في تقنيات صناعة الصلب.
بحلول وقت الإنتاج الصناعي الأول من الفيروسيليكون في ثمانينيات القرن التاسع عشر ، كانت أهمية السيليكون في تحسين الليونة في الحديد الخشن والفولاذ المقاوم للصدأ هي مفهومة بشكل جيد.
وقد تم إنتاج الفيروسيليكون مبكرا في الأفران المرتفعة عن طريق الحد من الخامات المحتوية على السليكون بالفحم ، مما أدى إلى الحديد الفضي للخنزير ، وهو فيروزيليكون يحتوي على نسبة تصل إلى 20 بالمائة من السليكون.
إن تطوير أفران القوس الكهربائي في بداية القرن العشرين لم يسمح فقط بإنتاج أكبر للصلب ، ولكن أيضا إنتاج أكثر من الفيروسيليكون.
في عام 1903 ، بدأت مجموعة متخصصة في صناعة السبائك الحديدية (Compagnie Generate d'Electrochimie) عملياتها في ألمانيا وفرنسا والنمسا ، وفي عام 1907 ، تم تأسيس أول مصنع سيليكون تجاري في الولايات المتحدة.
لم تكن صناعة الصلب هي التطبيق الوحيد لمركبات السيليكون التي تم تسويقها تجارياً قبل نهاية القرن التاسع عشر.
لإنتاج الماس الاصطناعي في عام 1890 ، قام إدوارد غودريتش أتشيسون بتسخين سيليكات الألمنيوم مع فحم الكوك ومسحوق كربيد السيليكون المنتج بشكل عرضي (SiC).
بعد ثلاث سنوات ، قام أتشيسون بتسجيل براءة اختراع طريقة إنتاجه وأسس شركة Carborundum (اسم الكاربوروندوم هو الاسم الشائع لكربيد السيليكون في ذلك الوقت) لغرض صنع وبيع المنتجات الكاشطة.
وبحلول أوائل القرن العشرين ، تم أيضًا تحقيق خصائص موصل كربيد السيليكون ، وتم استخدام المركب ككاشف في أجهزة راديو السفينة المبكرة. تم منح براءة اختراع لكاشفات البلورات السليكونية إلى GW Pickard في عام 1906.
في عام 1907 ، تم إنشاء أول الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) من خلال تطبيق الجهد على بلورة كربيد السيليكون.
من خلال استخدام السيليكون في 1930s نما مع تطور منتجات كيميائية جديدة ، بما في ذلك silanes و silicones.
كان نمو الإلكترونيات خلال القرن الماضي مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بالسيليكون وخصائصه الفريدة.
في حين أن إنشاء الترانزستورات الأولى - السلائف للرقائق الميكروية الحديثة - في أربعينيات القرن العشرين اعتمد على الجرمانيوم ، فإنه لم يمض وقت طويل قبل أن يحل السيليكون محل ابن عمه الفلزودي كمواد شبه متينة أكثر شبه موصلة.
بدأت مختبرات Bell و Texas Instruments تجاريا في إنتاج ترانزيستور قائم على السيليكون في عام 1954.
تم صنع أول دوائر متكاملة للسيليكون في الستينيات ، وبحلول عام 1970 ، تم تطوير معالجات تحتوي على السيليكون.
بالنظر إلى أن تكنولوجيا أشباه الموصلات القائمة على السيليكون تشكل العمود الفقري للإلكترونيات الحديثة والحوسبة ، فلا ينبغي أن يكون من المفاجئ أن نشير إلى محور النشاط لهذه الصناعة باسم "وادي السليكون".
(لإلقاء نظرة مفصلة على تاريخ وتطوير وادي السيليكون وتكنولوجيا الرقائق الدقيقة ، أوصي بشدة بتجربة الفيلم الوثائقي "التجربة الأمريكية" بعنوان وادي السليكون).
بعد فترة قصيرة من كشف النقاب عن الترانزستورات الأولى ، أدى عمل مختبرات بيل مع السيليكون إلى تحقيق اختراق كبير ثانٍ في عام 1954: أول خلية شمسية (شمسية) سليكونية.
قبل ذلك ، كان يعتقد أن معظم فكرة استغﻻل الطاقة من الشمس لتوليد الطاقة على الأرض أمر مستحيل. ولكن بعد أربع سنوات فقط ، في عام 1958 ، كان أول قمر صناعي مدعوم بخلايا شمسية من السيليكون يدور حول الأرض.
بحلول السبعينات ، نمت التطبيقات التجارية لتكنولوجيات الطاقة الشمسية لتطبيقات أرضية مثل تشغيل الإضاءة على منصات النفط البحرية ومعابر السكك الحديدية.
على مدى العقدين الماضيين ، نمت استخدام الطاقة الشمسية أضعافا مضاعفة. واليوم ، تمثل التقنيات الكهروضوئية القائمة على السيليكون حوالي 90 في المائة من سوق الطاقة الشمسية العالمي.
إنتاج:
ويتم إنتاج معظم السيليكون المكرر في كل عام - حوالي 80 في المائة - كفيروئيليكون لاستخدامه في صناعة الحديد والصلب. يمكن أن يحتوي الفيروسيليكون على نسبة تتراوح بين 15 و 90 في المائة من السيليكون حسب متطلبات المصهر.
يتم إنتاج سبائك الحديد والسيليكون باستخدام فرن القوس الكهربائي المغمور عن طريق صهر التخفيض. يتم تكسير خام السيليكا الغني ومصدر الكربون مثل فحم الكوك (الفحم المعدني) وتحميله في الفرن مع الحديد الخردة.
عند درجة حرارة تزيد عن 1900 درجة مئوية (3450 درجة فهرنهايت) ، يتفاعل الكربون مع الأكسجين الموجود في الركاز ، مما يشكل غاز أول أكسيد الكربون. في هذه الأثناء ، يتحد الحديد والسيليكون المتبقيان ليصنعان الفيروسيليكون المصهور ، والذي يمكن جمعه عن طريق استغلال قاعدة الفرن.
وبمجرد تبريده وتصلبه ، يمكن بعد ذلك شحن الفيروسيليكون واستخدامه مباشرة في تصنيع الحديد والصلب.
يتم استخدام نفس الأسلوب ، دون إدراج الحديد ، لإنتاج السيليكون الصف المعدني الذي هو أكبر من 99 في المئة نقية. كما يستخدم السيليكون المعدني في صهر الفولاذ ، وكذلك في صناعة سبائك الألومنيوم والكيماويات السيلانية.
يصنف السيليكون المعدني بواسطة مستويات الشوائب من الحديد والألمنيوم والكالسيوم الموجود في السبائك. على سبيل المثال ، يحتوي 553 معدن سليكون على أقل من 0.5 بالمائة من كل من الحديد والألمنيوم ، وأقل من 0.3 بالمائة من الكالسيوم.
يتم إنتاج حوالي 8 ملايين طن متري من الفيروسيليكون كل عام على مستوى العالم ، حيث تمثل الصين حوالي 70٪ من هذا الإجمالي. ويشمل المنتجون الكبار مجموعة إيردوس ميتالورجيا ، ونينغشيا رونغشنغ فيروولوي ، ومجموعة أو إم جروب ، وإلكم.
يتم إنتاج 2.6 مليون طن إضافي من السيليكون المعدني - أو حوالي 20 بالمائة من إجمالي معدن السيليكون المكرر - سنويًا. الصين ، مرة أخرى ، تمثل حوالي 80 في المئة من هذا الإنتاج.
المفاجأة بالنسبة للكثيرين هي أن الدرجات الشمسية والالكترونية للسليكون تمثل كمية صغيرة (أقل من 2٪) من كل إنتاج السيليكون المكرر.
للترقية إلى معدن السليكون ذو الدرجة الشمسية (polysilicon) ، يجب أن تزداد النقاوة إلى أعلى من السيليكون النقي 99.9999٪ (6N). ويتم ذلك عبر واحدة من ثلاث طرق ، وأكثرها شيوعًا هي عملية سيمنز.
تتضمن عملية Siemens ترسيب كيميائي للغاز المتطاير المعروف باسم trichlorosilane. عند درجة حرارة 1150 درجة مئوية (2102 درجة فهرنهايت) يتم تفجير تريكلوروسيلان على بذرة سليكونية عالية النقاء مركبة في نهاية قضيب. عند مرورها ، يتم ترسيب السيليكون عالي النقاء من الغاز على البذرة.
كما يُستخدم مفاعل طبقة السائل (FBR) وتقنية السيليكون المطورة (UMG) المطورة من المعدن لتحسين المعادن إلى بولي سيليكون مناسب للصناعة الفولطاضوئية.
تم إنتاج 230،000 طن متري من البولي سيليكون في عام 2013. ومن بين المنتجين الرائدين GCL Poly و Wacker-Chemie و OCI.
وأخيرًا ، لجعل السليكون الإلكتروني مناسبًا لصناعة أشباه الموصلات وتقنيات ضوئية معينة ، يجب تحويل polysilicon إلى سليكون أحادي البلورية نقي جدًا عبر عملية Czochralski.
للقيام بذلك ، يتم ذوبان البولي سيليكون في بوتقة عند 1425 درجة مئوية (2597 درجة فهرنهايت) في جو خامل. ثم يتم غمس بلورة بذرية مثبتة على قضيب في المعدن المنصهر ويتم تدويرها وإزالتها ببطء ، مما يمنح الوقت لنمو السيليكون على مادة البذرة.
المنتج الناتج هو قضيب (أو بول) من معدن السيليكون البلوري الأحادي الذي يمكن أن يصل إلى 99.999999999 (11N) بالمائة. يمكن أن يكون هذا القضيب مخدر مع البورون أو الفوسفور كما هو مطلوب لتعديل الخصائص الميكانيكية الكم كما هو مطلوب.
يمكن شحن قضيب أحادي البلورة إلى العملاء كما هو ، أو تقطيعه إلى رقائق أو مصقول أو محكم لمستخدمين محددين.
التطبيقات:
في حين يتم تنقيح ما يقرب من عشرة ملايين طن متري من الفيروسيليكون والسيليكون المعدني سنوياً ، فإن غالبية السيليكون المستخدم تجارياً هو في الواقع على شكل معادن السليكون ، والتي تستخدم في تصنيع كل شيء من الأسمنت وقذائف المورتر والسيراميك ، إلى الزجاج و البوليمرات.
Ferrosilicon ، كما لوحظ ، هو الشكل الأكثر شيوعا من السيليكون المعدني. منذ استخدامه لأول مرة منذ حوالي 150 عامًا ، ظل الفيروسيليكون عاملًا مهمًا للأكسدة في إنتاج الكربون والفولاذ المقاوم للصدأ . اليوم ، لا يزال صهر الفولاذ أكبر مستهلك للفيليرو سيليكون.
على الرغم من أن فيروزيليكون له عدد من الاستخدامات التي تتجاوز صناعة الفولاذ. وهو عبارة عن سبيكة مسبقة في إنتاج الفيروسيليكون المغنيسيوم ، وهو آلة تستخدم في إنتاج الحديد المرن ، وكذلك أثناء عملية Pidgeon لتنقية المغنيسيوم عالي النقاء.
يمكن استخدام الفيروسيليكون أيضاً لصنع سبائك سيليكات حديدية مقاومة للتآكل والحرارة فضلاً عن فولاذ السليكون الذي يستخدم في تصنيع المحركات الكهربائية ومحولات المحولات.
يمكن استخدام السيليكون المعدني في صناعة الصلب وعامل السبك في صب الألومنيوم. قطع غيار السيارات المصنوعة من الألومنيوم والسيليكون (Al-Si) خفيفة الوزن وأقوى من المكونات المصبوبة من الألومنيوم النقي. قطع غيار السيارات مثل كتل المحرك وحافات الإطارات هي بعض من أجزاء السيليكون المصنوعة من الألومنيوم الأكثر شيوعًا.
وتستخدم الصناعة الكيميائية ما يقرب من نصف جميع أنواع السيليكون الكيميائي لصنع السيليكا المدخنة (عامل كثيف ومجفّف) وسيلان (عامل اقتران) والسيليكون (مانعات التسرب والمواد اللاصقة ومواد التشحيم).
يستخدم البولي سيليكون في المقام الأول في صنع الخلايا الشمسية البولي سيليكون. هناك حاجة إلى حوالي خمسة أطنان من البولي سيليكون لصنع ميغاوات من الوحدات الشمسية.
وفي الوقت الحالي ، تمثل تكنولوجيا الطاقة الشمسية المصنوعة من مادة البولي سيليكون أكثر من نصف الطاقة الشمسية المنتجة عالمياً ، في حين تسهم تكنولوجيا أحادي السيليكون بنسبة 35٪ تقريبًا. في المجموع ، يتم جمع 90 في المئة من الطاقة الشمسية التي يستخدمها البشر من خلال التكنولوجيا القائمة على السيليكون.
السيليكون أحادي البلورة هو أيضا مادة أشباه الموصلات حاسمة موجودة في الإلكترونيات الحديثة. يمكن استخدام السليكون في جميع أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وأجهزة التلفزيون وأجهزة الراديو وأجهزة الراديو وغيرها من أجهزة الاتصالات الحديثة ، نظرًا لأن مادة الركيزة المستخدمة في إنتاج الترانزستورات ذات التأثير الموضعي (FETs) و LEDs والدوائر المتكاملة.
وتشير التقديرات إلى أن أكثر من ثلث جميع الأجهزة الإلكترونية تحتوي على تكنولوجيا أشباه الموصلات تعتمد على السيليكون.
أخيرا ، يتم استخدام كربيد السيليكون ذو السبائك الصلبة في مجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية وغير الإلكترونية ، بما في ذلك المجوهرات الاصطناعية ، وأشباه الموصلات ذات درجة الحرارة العالية ، والسيراميك الصلب ، وأدوات التقطيع ، وأقراص المكابح ، والمواد الكاشطة ، والسترات الواقية من الرصاص ، وعناصر التسخين.
مصادر:
تاريخ موجز لصناعة السبائك الحديدية وإنتاج السبائك الحديدية.
عنوان URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa و Lauri و Seppo Louhenkilpi.
حول دور السبائك الحديدية في صناعة الفولاذ. يونيو 9-13 ، 2013. المؤتمر الدولي الثالث عشر لفيروالويس. عنوان URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
اتبع Terence على Google+