Металлический кремний — это серый блестящий полупроводниковый металл, который используется для изготовления стали, солнечных элементов и микрочипов. Кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре (после кислорода) и восьмым по распространенности во Вселенной. Почти 30 процентов веса земной коры приходится на кремний.
Этот элемент с атомным номером 14 встречается в природе в силикатных минералах, таких как кремнезем, полевой шпат и слюда, которые являются основными компонентами обычных горных пород, таких как кварц и песчаник. Кремний, полуметалл (или металлоид), обладает некоторыми свойствами как металлов, так и неметаллов.
Подобно воде, но в отличие от большинства металлов, кремний сжимается в жидком состоянии и расширяется при затвердевании. Он имеет относительно высокие температуры плавления и кипения, а при кристаллизации образует кубическую кристаллическую структуру алмаза. Атомная структура кремния, включающая четыре валентных электрона, которые позволяют кремнию легко связываться с другими элементами, имеет решающее значение для его функции в качестве полупроводника и его использования в электронике.
Характеристики
Атомный символ: Да
Атомный номер: 14
Категория элемента: Металлоид
Плотность: 2329 г/см3
Температура плавления: 2577 градусов по Фаренгейту (1414 градусов по Фаренгейту)
Температура кипения: 5909 градусов по Фаренгейту (3265 градусов по Фаренгейту)
Твердость по Моосу: 7
Производство
Большая часть кремния, который очищается каждый год, около 80 процентов, производится в виде ферросилиция для использования в производстве железа и стали. Ферросилиций может содержать от 15 до 90 процентов кремния, в зависимости от потребностей литейного производства.
Железо-кремниевый сплав производится в электродуговой печи под флюсом с использованием восстановительной плавки. Богатая кремнеземом руда и источник углерода, такой как коксующийся уголь (металлургический уголь), измельчаются и загружаются в печь вместе с ломом.
При температуре выше 1900 градусов (3450 градусов по Фаренгейту) углерод вступает в реакцию с кислородом, присутствующим в минерале, образуя окись углерода. Тем временем оставшееся железо и кремний объединяются, образуя расплавленный ферросилиций, который можно собрать, постукивая по дну печи. После охлаждения и закалки ферросилиций можно транспортировать и использовать непосредственно в производстве чугуна и стали.
Тот же метод, за исключением железа, используется для производства металлургического кремния с чистотой более 99 процентов. Металлургический кремний также используется в литье стали, а также в производстве литых алюминиевых сплавов и силановых химикатов.
Металлургический кремний классифицируется по содержанию примесей железа, алюминия и кальция в сплаве. Например, металлический кремний 553 содержит менее 0,5 процента каждого из металлов, железа и алюминия, и менее 0,3 процента кальция.
Ежегодно в мире производится около 8 миллионов тонн ферросилиция, причем на долю Китая приходится около 70 процентов этого общего объема. Основные производители включают Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.
Ежегодно производится еще 2,6 млн т металлургического кремния, т. е. около 20% всего рафинированного металлического кремния. На Китай, опять же, приходится около 80 процентов этого производства. Для многих сюрпризом является то, что кремний для солнечной и электронной промышленности составляет лишь небольшую часть (менее двух процентов) всего производства рафинированного кремния. Чтобы перейти на металлический кремний солнечного качества (полисиликон), чистота кремния должна повыситься до более чем 99,9999 процентов (6N). Это делается одним из трех методов, наиболее распространенным из которых является процесс Сименса.
Процесс Siemens включает химическое осаждение из паровой фазы летучего газа, известного как трихлорсилан. Трихлорсилан выдувается при температуре 1150 градусов (2102 градуса по Фаренгейту) на затравку из кремния высокой чистоты, установленную на конце стержня. Когда он проходит над ним, кремний высокой чистоты в газе осаждается на затравке.
Реактор с псевдоожиженным слоем (FBR) и технология кремния улучшенного металлургического качества (UMG) также используются для преобразования металла в поликремний, подходящий для фотоэлектрической промышленности. В 2013 г. произведено 230,000 тонн поликремния. Основными производителями являются GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.
Наконец, чтобы кремний электронного качества можно было использовать в полупроводниковой промышленности и некоторых фотоэлектрических технологиях, поликремний должен быть преобразован в сверхчистый монокристаллический кремний с использованием процесса Чохральского. Для этого поликремний плавится в тигле при температуре 1425 градусов (2597 градусов по Фаренгейту) в инертной атмосфере. Затравочный кристалл, установленный на стержне, затем погружают в расплавленный металл, медленно вращают и извлекают, давая время кремнию вырасти в затравочном материале.
Полученный продукт представляет собой стержень (или булю) монокристаллического металлического кремния, чистота которого может достигать 99,999999999 (11N) процентов. При необходимости этот стержень может быть легирован бором или фосфором для изменения квантово-механических свойств. Монокристаллический стержень может быть отправлен клиентам как есть или разрезан на пластины и отполирован или текстурирован для конкретных пользователей.
Приложения
Хотя каждый год перерабатывается около десяти миллионов метрических тонн ферросилиция и металлического кремния, большая часть кремния, используемого в коммерческих целях, находится в форме кремниевых руд, которые используются в производстве всего: от цемента, строительных растворов и керамики до стекла и полимеров.
Как уже отмечалось, ферросилиций является наиболее широко используемой формой металлического кремния. С момента своего первого использования около 150 лет назад ферросилиций остается важным раскислителем в производстве углеродистой и нержавеющей стали. Сегодня сталелитейное производство остается крупнейшим потребителем ферросилиция.
Однако ферросилиций имеет и другие применения, помимо производства стали. Это предварительный сплав в производстве ферросилиция магния, гранулятор, используемый для производства ковкого чугуна, а также в процессе Pidgeon для рафинирования высокочистого магния. Ферросилиций также может быть использован для изготовления жаропрочных и коррозионностойких ферросилициевых сплавов, а также кремнистой стали, используемой в производстве электродвигателей и сердечников трансформаторов.
Металлургический кремний можно использовать в сталелитейной промышленности и в качестве легирующего агента в алюминиевом литье. Автодетали из алюминия и кремния (Al-Si) легче и прочнее, чем отливки из чистого алюминия. Автомобильные детали, такие как блоки цилиндров двигателя и колесные диски, являются одними из наиболее широко распространенных алюминиево-кремниевых деталей.
Почти половина металлургического кремния используется в химической промышленности для производства коллоидного кремнезема (загуститель и осушитель), силанов (связующее вещество) и силикона (герметики, клеи и смазки). Поликремний фотогальванического качества в основном используется в производстве поликремниевых солнечных элементов. Для производства одного мегаватта солнечных модулей необходимо около пяти тонн поликремния.
В настоящее время на долю поликремниевой солнечной энергии приходится более половины солнечной энергии, производимой в мире, а на долю монокремниевой технологии приходится около 35 процентов. В общей сложности 90 процентов солнечной энергии, используемой людьми, собирается с помощью технологии на основе кремния.
Монокристаллический кремний также является основным полупроводниковым материалом в современной электронике. В качестве материала подложки, используемого в производстве полевых транзисторов (FET), светодиодов и интегральных схем, кремний используется практически во всех современных компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, телевизорах, радиоприемниках и других устройствах связи. Подсчитано, что более трети всех электронных устройств содержат полупроводниковую технологию на основе кремния.
Наконец, твердый сплав карбида кремния используется в самых разных электронных и неэлектронных приложениях, таких как синтетические украшения, высокотемпературные полупроводники, твердая керамика, режущие инструменты, тормозные диски, абразивы и т. д., пуленепробиваемые жилеты и нагревательные элементы.
