Kim loại silicon là một kim loại bán dẫn màu xám, sáng bóng được sử dụng để sản xuất thép, pin mặt trời và vi mạch. Silicon là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái đất (chỉ sau oxy) và phổ biến thứ tám trong vũ trụ. Gần 30% trọng lượng của vỏ trái đất có thể là do silic.
Nguyên tố có số nguyên tử 14 này xuất hiện tự nhiên trong các khoáng vật silicat như silica, fenspat và mica, là những thành phần chính của các loại đá thông thường như thạch anh và sa thạch. Silicon, một chất bán kim loại (hoặc kim loại), có một số tính chất của cả kim loại và phi kim.
Giống như nước, nhưng không giống như hầu hết các kim loại, silicon co lại ở trạng thái lỏng và nở ra khi đông đặc. Nó có nhiệt độ nóng chảy và sôi tương đối cao, khi kết tinh sẽ tạo thành cấu trúc tinh thể hình khối kim cương. Cấu trúc nguyên tử của silicon, bao gồm 4 electron hóa trị cho phép silic dễ dàng liên kết với các nguyên tố khác, rất quan trọng đối với chức năng của nó như một chất bán dẫn và việc sử dụng nó trong điện tử.
Đặc tính
Ký hiệu nguyên tử: Có
Số nguyên tử: 14
Thể loại yếu tố: Metalloid
Mật độ: 2,329g / cm3
Điểm nóng chảy: 2577 độ F (1414 độ)
Điểm sôi: 5909 độ F (3265 độ)
Độ cứng của Moh: 7
Sản xuất
Hầu hết silic được tinh chế mỗi năm, khoảng 80%, được sản xuất dưới dạng ferrosilicon để sử dụng trong sản xuất sắt và thép. Ferrosilicon có thể chứa từ 15 đến 90 phần trăm silicon, tùy thuộc vào nhu cầu của xưởng đúc.
Hợp kim sắt-silic được sản xuất trong lò điện hồ quang chìm bằng cách sử dụng quá trình nấu chảy khử. Quặng giàu silica và một nguồn cacbon như than cốc (than luyện kim) được nghiền nhỏ và nạp vào lò cùng với phế liệu.
Ở nhiệt độ trên 1900 độ (3450 độ F), cacbon phản ứng với oxy có trong khoáng chất, tạo thành khí cacbon monoxit. Trong khi đó, sắt và silic còn lại kết hợp với nhau để tạo thành fero-silic nóng chảy, có thể được thu thập bằng cách gõ vào đáy lò. Sau khi nguội và cứng lại, ferrosilicon có thể được vận chuyển và sử dụng trực tiếp trong sản xuất sắt và thép.
Phương pháp tương tự, không bao gồm sắt, được sử dụng để sản xuất silicon cấp luyện kim với độ tinh khiết lớn hơn 99%. Silic luyện kim cũng được sử dụng trong đúc thép, cũng như trong sản xuất hợp kim nhôm đúc và hóa chất silan.
Silic luyện kim được phân loại theo mức độ tạp chất của sắt, nhôm và canxi có trong hợp kim. Ví dụ: silic kim loại 553 chứa ít hơn 0. 5% mỗi kim loại, sắt và nhôm và ít hơn 0. 3% canxi.
Khoảng 8 triệu tấn ferro-silicon được sản xuất trên toàn thế giới mỗi năm, trong đó Trung Quốc chiếm khoảng 70% tổng số này. Các nhà sản xuất chính bao gồm Tập đoàn Luyện kim Erdos, Công ty Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Tập đoàn Vật liệu OM và Elkem.
2,6 triệu tấn silicon luyện kim khác được sản xuất hàng năm, tức là khoảng 20% tổng lượng silicon kim loại tinh chế. Một lần nữa, Trung Quốc chiếm khoảng 80% sản lượng này. Một điều ngạc nhiên đối với nhiều người là các loại silicon điện tử và năng lượng mặt trời chỉ chiếm một lượng nhỏ (dưới hai phần trăm) trong tất cả sản lượng silicon tinh chế. Để chuyển sang silicon kim loại cấp năng lượng mặt trời (polysilicon), độ tinh khiết phải tăng lên hơn 99,9999 phần trăm (6N) silicon nguyên chất. Điều này được thực hiện bằng một trong ba phương pháp, phổ biến nhất là quy trình của Siemens.
Quy trình của Siemens liên quan đến sự lắng đọng hơi hóa học của một loại khí dễ bay hơi được gọi là trichlorosilane. Trichlorosilane được thổi ở 1150 độ (2102 độ F) lên một hạt silicon có độ tinh khiết cao gắn trên đầu que. Khi nó đi qua nó, silicon có độ tinh khiết cao trong khí được lắng đọng trên hạt giống.
Lò phản ứng tầng chất lỏng (FBR) và công nghệ silicon cấp luyện kim nâng cao (UMG) cũng được sử dụng để nâng cấp kim loại thành polysilicon thích hợp cho ngành công nghiệp quang điện. Trong năm 2013, 230. {2}} tấn polysilicon đã được sản xuất. Các nhà sản xuất chính là GCL Poly, Wacker-Chemie và OCI.
Cuối cùng, để silicon cấp điện tử thích hợp sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và một số công nghệ quang điện nhất định, polysilicon phải được chuyển đổi thành silicon đơn tinh thể siêu tinh thể bằng quy trình Czochralski. Để làm được điều này, polysilicon được nấu chảy trong một chén nung ở nhiệt độ 1425 độ (2597 độ F) trong môi trường trơ. Sau đó, một tinh thể hạt được gắn trên một thanh được nhúng vào kim loại nóng chảy và từ từ quay và lấy ra, để silic có thời gian phát triển trong nguyên liệu hạt giống.
Sản phẩm thu được là một thanh (hoặc một thanh) kim loại silicon đơn tinh thể có thể đạt độ tinh khiết 99,999999999 (11N) phần trăm. Thanh này có thể được pha tạp với boron hoặc phốt pho, nếu cần, để sửa đổi các đặc tính cơ lượng tử. Thanh đơn tinh thể có thể được vận chuyển nguyên trạng cho khách hàng, hoặc cắt thành tấm wafer và đánh bóng hoặc kết cấu cho những người dùng cụ thể.
Các ứng dụng
Mặc dù khoảng mười triệu tấn ferrosilicon và kim loại silic được tinh chế mỗi năm, hầu hết silic được sử dụng thương mại ở dạng quặng silic, được sử dụng trong sản xuất mọi thứ từ xi măng, vữa và gốm sứ, đến thủy tinh và polyme.
Ferrosilicon, như đã nói, là dạng silicon kim loại được sử dụng rộng rãi nhất. Kể từ lần đầu tiên được sử dụng cách đây khoảng 150 năm, ferrosilicon vẫn là một chất khử oxy quan trọng trong sản xuất carbon và thép không gỉ. Ngày nay, đúc thép vẫn là ngành tiêu thụ ferrosilicon lớn nhất.
Tuy nhiên, ferrosilicon có những công dụng khác ngoài việc làm thép. Đó là một kế hoạch trước khi sản xuất magie ferrosilicon, một loại máy tạo viên được sử dụng để sản xuất sắt dẻo, cũng như trong quá trình Pidgeon để tinh chế magie có độ tinh khiết cao. Ferrosilicon cũng có thể được sử dụng để chế tạo hợp kim silic đen chịu nhiệt và chống ăn mòn, cũng như thép silic, được sử dụng trong sản xuất động cơ điện và lõi máy biến áp.
Silic luyện kim có thể được sử dụng trong ngành công nghiệp thép và làm chất tạo hợp kim trong xưởng đúc nhôm. Phụ tùng ô tô bằng nhôm-silicon (Al-Si) nhẹ và chắc hơn so với nhôm đúc nguyên chất. Các bộ phận ô tô như khối động cơ và vành xe là một số bộ phận nhôm-silicon được đúc rộng rãi nhất.
Gần một nửa silicon luyện kim được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất để tạo ra silica bốc khói (chất làm đặc và làm khô), silanes (chất kết nối) và silicone (chất bịt kín, chất kết dính và chất bôi trơn). Polysilicon cấp quang điện chủ yếu được sử dụng trong sản xuất pin mặt trời polysilicon. Cần khoảng năm tấn polysilicon để tạo ra một megawatt năng lượng mặt trời.
Hiện nay, công nghệ mặt trời polysilicon chiếm hơn một nửa năng lượng mặt trời được sản xuất trên thế giới, trong khi công nghệ monosilicon đóng góp khoảng 35%. Tổng cộng, 90% năng lượng mặt trời mà con người sử dụng được thu thập bằng công nghệ dựa trên silicon.
Silicon đơn tinh thể cũng là một vật liệu bán dẫn cơ bản trong điện tử hiện đại. Là vật liệu nền được sử dụng trong sản xuất bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET), đèn LED và mạch tích hợp, silicon được tìm thấy trong hầu như tất cả các máy tính hiện đại, điện thoại di động, máy tính bảng, tivi, radio và các thiết bị liên lạc khác. Người ta ước tính rằng hơn một phần ba tất cả các thiết bị điện tử có chứa công nghệ bán dẫn dựa trên silicon.
Cuối cùng, hợp kim cứng cacbua silic được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử và phi điện tử, chẳng hạn như đồ trang sức tổng hợp, chất bán dẫn nhiệt độ cao, gốm sứ cứng, dụng cụ cắt, đĩa phanh, vật liệu mài mòn, vv áo chống đạn và các bộ phận gia nhiệt.
