Μια ματιά στο ημι-μέταλλο πυρίτιο
Το μεταλλικό πυρίτιο είναι ένα γκρι και λαμπερό ημιαγώγιμο μέταλλο που χρησιμοποιείται για την κατασκευή χάλυβα, ηλιακών κυψελών και μικροτσίπ.
Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στην κρούστα της γης (πίσω από το οξυγόνο μόνο) και το όγδοο πιο κοινό στοιχείο του σύμπαντος. Στην πραγματικότητα, σχεδόν το 30% του βάρους του φλοιού της γης μπορεί να αποδοθεί στο πυρίτιο.
Το στοιχείο με τον ατομικό αριθμό 14 εμφανίζεται φυσιολογικά σε μεταλλικά πυριτικά άλατα, συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του πυριτίου, του άστριου και της μαρμαρυγίας, τα οποία αποτελούν βασικά συστατικά των κοινών πετρωμάτων όπως ο χαλαζίας και ο ψαμμίτης.
Ένα ημι-μέταλλο (ή μεταλλοειδές ), πυρίτιο διαθέτει κάποιες ιδιότητες τόσο των μετάλλων όσο και των μη-μετάλλων.
Όπως το νερό - αλλά σε αντίθεση με τα περισσότερα μέταλλα - το πυρίτιο συστέλλεται στην υγρή του κατάσταση και επεκτείνεται καθώς στερεοποιείται. Έχει σχετικά υψηλά σημεία τήξης και βρασμού, και όταν κρυσταλλώνεται σχηματίζει κυβική δομή διαμαντιού.
Ο ρόλος του κρίσιμου ως προς τον πυρίτιο ως ημιαγωγός και η χρήση του στην ηλεκτρονική είναι η ατομική δομή του στοιχείου, η οποία περιλαμβάνει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους που επιτρέπουν στο πυρίτιο να συνδεθεί εύκολα με άλλα στοιχεία.
Ιδιότητες:
- Ατομικό σύμβολο: Si
- Ατομικός αριθμός: 14
- Στοιχείο Κατηγορία: Μεταλλοειδές
- Πυκνότητα: 2.329 g / cm3
- Σημείο τήξης: 2577 ° F (1414 ° C)
- Σημείο ζέσης: 5909 ° F (3265 ° C)
- Hardness του Moh: 7
Ιστορία:
Ο Σουηδός χημικός Jons Jacob Berzerlius πιστώνεται με το πρώτο απομονωτικό πυρίτιο το 1823. Ο Berzerlius το επιτέλεσε αυτό με θέρμανση μεταλλικού καλίου (που είχε απομονωθεί μόνο μια δεκαετία νωρίτερα) σε ένα χωνευτήριο μαζί με φθοριοπυριτικό κάλιο.
Το αποτέλεσμα ήταν άμορφο πυρίτιο.
Ωστόσο, η παρασκευή κρυσταλλικού πυριτίου απαιτούσε περισσότερο χρόνο. Δεν θα γίνει ηλεκτρολυτικό δείγμα κρυσταλλικού πυριτίου για άλλες τρεις δεκαετίες.
Η πρώτη εμπορική χρήση του πυριτίου ήταν με τη μορφή σιδηροπυριτίου.
Μετά τον εκσυγχρονισμό της χαλυβουργίας του Henry Bessemer στα μέσα του 19ου αιώνα, υπήρξε μεγάλο ενδιαφέρον για τη μεταλλουργία του χάλυβα και την έρευνα στις τεχνικές παραγωγής χάλυβα.
Μέχρι τη στιγμή της πρώτης βιομηχανικής παραγωγής σιδηροπυριτίου στη δεκαετία του 1880, η σημασία του πυριτίου για τη βελτίωση της ολκιμότητας του χυτοσιδήρου και του αποξειδωτικού χάλυβα ήταν αρκετά καλά κατανοητή.
Η πρώιμη παραγωγή σιδηροπυριτίου πραγματοποιήθηκε σε υψικαμίνους με μείωση των μεταλλευμάτων που περιέχουν πυρίτιο με ξυλάνθρακα, με αποτέλεσμα αργυροχρυσοχόος, σιδηροπυρίτιο με περιεκτικότητα σε πυρίτιο έως και 20%.
Η ανάπτυξη ηλεκτρικών κλιβάνων τόξου στις αρχές του 20ου αιώνα επέτρεψε όχι μόνο μεγαλύτερη παραγωγή χάλυβα , αλλά και μεγαλύτερη παραγωγή σιδηροπυριτίου.
Το 1903, μια ομάδα ειδικευμένη στην κατασκευή του σιδηρού κράματος (Compagnie Generate d'Electrochimie) άρχισε να λειτουργεί στη Γερμανία, τη Γαλλία και την Αυστρία και το 1907 ιδρύθηκε το πρώτο εμπορικό εργοστάσιο πυριτίου στις ΗΠΑ.
Η χαλυβουργία δεν ήταν η μόνη εφαρμογή για τις ενώσεις πυριτίου που διατέθηκαν στο εμπόριο πριν από τα τέλη του 19ου αιώνα.
Για την παραγωγή τεχνητών διαμαντιών το 1890, Edward Goodrich Acheson θερμαινόμενο πυριτικό αργίλιο με κονιοποιημένο οπτάνθρακα και παρεμπιπτόντως παραγόμενο καρβίδιο του πυριτίου (SiC).
Τρία χρόνια αργότερα ο Acheson είχε κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τη μέθοδο παραγωγής του και ίδρυσε την εταιρεία Carborundum Company (carborundum που ήταν η κοινή ονομασία για το καρβίδιο του πυριτίου κατά την εποχή εκείνη) με σκοπό την παραγωγή και πώληση λειαντικών προϊόντων.
Από τις αρχές του 20ου αιώνα, οι αγώγιμες ιδιότητες του καρβιδίου του πυριτίου είχαν επίσης πραγματοποιηθεί και η ένωση χρησιμοποιήθηκε ως ανιχνευτής στα ραδιόφωνα των πλοίων. Ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ανιχνευτές κρυστάλλου πυριτίου χορηγήθηκε στον GW Pickard το 1906.
Το 1907, η πρώτη δίοδος εκπομπής φωτός (LED) δημιουργήθηκε με την εφαρμογή τάσης σε ένα κρυστάλλινο καρβίδιο του πυριτίου.
Μέσα από τη δεκαετία του 1930 αυξήθηκε η χρήση πυριτίου με την ανάπτυξη νέων χημικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων σιλανίων και σιλικόνων.
Η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών στον περασμένο αιώνα έχει επίσης συνδεθεί αναπόσπαστα με το πυρίτιο και τις μοναδικές του ιδιότητες.
Ενώ η δημιουργία των πρώτων τρανζίστορ - των προδρόμων των σύγχρονων μικροτσίπ - στη δεκαετία του 1940 στηρίχθηκε στο γερμάνιο , δεν ήταν πολύ καιρό πριν το πυρίτιο αντικατέστησε τον μεταλλοειδές ξάδελφό του ως ένα πιο ανθεκτικό υλικό ημιαγωγού υποστρώματος.
Η Bell Labs και η Texas Instruments άρχισαν να παράγουν εμπορικά τρανζίστορ με βάση το πυρίτιο το 1954.
Τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα πυριτίου κατασκευάστηκαν στη δεκαετία του 1960 και, από τη δεκαετία του 1970, είχαν αναπτυχθεί επεξεργαστές που περιείχαν πυρίτιο.
Δεδομένου ότι η τεχνολογία ημιαγωγών με βάση το πυρίτιο αποτελεί τη ραχοκοκαλιά της σύγχρονης ηλεκτρονικής και της πληροφορικής, δεν πρέπει να αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι αναφερόμαστε στο κέντρο δραστηριότητας της βιομηχανίας αυτής ως "Silicon Valley".
(Για μια λεπτομερή ματιά στην ιστορία και την εξέλιξη της τεχνολογίας Silicon Valley και microchip, συνιστώ ανεπιφύλακτα το ντοκιμαντέρ American Experience με τίτλο Silicon Valley).
Λίγο μετά την αποκάλυψη των πρώτων τρανζίστορ, η δουλειά του Bell Labs με πυρίτιο οδήγησε σε μια δεύτερη σημαντική ανακάλυψη το 1954: Το πρώτο φωτοβολταϊκό (ηλιακό) κύτταρο πυριτίου.
Πριν από αυτό, η σκέψη να αξιοποιηθεί η ενέργεια από τον ήλιο για να δημιουργηθεί δύναμη στη γη θεωρήθηκε αδύνατη από τους περισσότερους. Μόλις τέσσερα χρόνια αργότερα, το 1958, ο πρώτος δορυφόρος που τροφοδοτείται από ηλιακά κύτταρα πυριτίου περιστράφηκε γύρω από τη γη.
Μέχρι τη δεκαετία του 1970, οι εμπορικές εφαρμογές για ηλιακές τεχνολογίες είχαν αναπτυχθεί σε χερσαίες εφαρμογές όπως η τροφοδοσία φωτισμού σε υπεράκτιες πετρελαϊκές εγκαταστάσεις και σιδηροδρομικές διαβάσεις.
Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η χρήση της ηλιακής ενέργειας έχει αυξηθεί εκθετικά. Σήμερα, οι φωτοβολταϊκές τεχνολογίες με βάση το πυρίτιο αντιπροσωπεύουν περίπου το 90% της παγκόσμιας αγοράς ηλιακής ενέργειας.
Παραγωγή:
Η πλειοψηφία του πυριτίου που εξευγενίζεται κάθε χρόνο - περίπου το 80% - παράγεται ως σιδηροπυρίτιο για χρήση στη βιομηχανία σιδήρου και χάλυβα . Το σιδηροπυρίτιο μπορεί να περιέχει οπουδήποτε μεταξύ 15 και 90 τοις εκατό πυρίτιο ανάλογα με τις απαιτήσεις του μεταλλουργείου.
Το κράμα σιδήρου και πυριτίου παράγεται με τη χρήση κλίβανος ηλεκτρικού τόξου μέσω μειωμένης τήξης. Το πλούσιο σε πυρίτιο μεταλλεύμα και μια πηγή άνθρακα, όπως ο άνθρακας οπτανθρακοποίησης (μεταλλουργικός άνθρακας), συνθλίβονται και φορτώνονται στον κλίβανο μαζί με σιδηρούχα σκραπ.
Σε θερμοκρασίες άνω των 1900 ° C (3450 ° F), ο άνθρακας αντιδρά με το οξυγόνο που υπάρχει στο μεταλλεύμα, σχηματίζοντας αέριο μονοξειδίου του άνθρακα. Ο υπόλοιπος σίδηρος και το πυρίτιο, εν τω μεταξύ, συνδυάζονται στη συνέχεια για να φτιάξουν τετηγμένο σιδηροπυρίτιο, το οποίο μπορεί να συλλεχθεί με κτύπημα της βάσης του κλιβάνου.
Μόλις ψυχθεί και σκληρυνθεί, το σιδηροπυρίτιο μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί και να χρησιμοποιηθεί απευθείας στην κατασκευή σιδήρου και χάλυβα.
Η ίδια μέθοδος, χωρίς την ενσωμάτωση του σιδήρου, χρησιμοποιείται για την παραγωγή μεταλλουργικού πυριτίου που είναι περισσότερο από 99 τοις εκατό καθαρό. Το μεταλλουργικό πυρίτιο χρησιμοποιείται επίσης στην τήξη χάλυβα, καθώς και στην κατασκευή κραμάτων αλουμινίου και χημικών προϊόντων σιλανίου.
Το μεταλλουργικό πυρίτιο ταξινομείται από τα επίπεδα ακαθαρσιών σιδήρου, αλουμινίου και ασβεστίου που υπάρχουν στο κράμα. Για παράδειγμα, το 553 μέταλλο πυριτίου περιέχει λιγότερο από 0,5 τοις εκατό από κάθε σίδηρο και αλουμίνιο και λιγότερο από 0,3 τοις εκατό ασβέστιο.
Περίπου 8 εκατομμύρια μετρικοί τόνοι σιδηροπυριτίου παράγονται κάθε χρόνο σε παγκόσμιο επίπεδο, με την Κίνα να αντιπροσωπεύει περίπου το 70 τοις εκατό αυτού του συνόλου. Οι μεγάλοι παραγωγοί περιλαμβάνουν τον Όμιλο Εrdos Metallurgy, τη Ningxia Rongsheng Ferroalloy, τον Όμιλο OM Materials και το Elkem.
Επιπλέον, παράγονται ετησίως 2,6 εκατομμύρια μετρικοί τόνοι μεταλλουργικού πυριτίου - ή περίπου το 20% του συνολικού εξευγενισμένου μεταλλικού πυριτίου. Η Κίνα, και πάλι, αντιπροσωπεύει περίπου το 80% αυτής της παραγωγής.
Μια έκπληξη για πολλούς είναι ότι οι ηλιακές και οι ηλεκτρονικές ποιότητες πυριτίου αντιπροσωπεύουν μόνο μια μικρή ποσότητα (λιγότερο από δύο τοις εκατό) όλων των εξευγενισμένων προϊόντων πυριτίου.
Για την αναβάθμιση σε ηλιακό μεταλλικό πυρίτιο (πολυπυριτίου), η καθαρότητα πρέπει να αυξηθεί σε πάνω από 99,9999% (6N) καθαρό πυρίτιο. Αυτό γίνεται μέσω μιας από τις τρεις μεθόδους, η συνηθέστερη διαδικασία της Siemens.
Η διαδικασία της Siemens περιλαμβάνει χημική εναπόθεση ατμών ενός πτητικού αερίου γνωστού ως τριχλωροσιλάνιο. Στους 1150 ° C (2102 ° F), το τριχλωροσιλάνιο διοχετεύεται πάνω σε έναν σπόρο πυριτίου υψηλής καθαρότητας τοποθετημένο στο άκρο μιας ράβδου. Καθώς περνά, το πυρίτιο υψηλής καθαρότητας από το αέριο εναποτίθεται στον σπόρο.
Ο αντιδραστήρας υγρών στρωμάτων (FBR) και η αναβαθμισμένη τεχνολογία πυριτίου μεταλλουργικής ποιότητας (UMG) χρησιμοποιούνται επίσης για την ενίσχυση του μετάλλου προς το πολυπυριτικό κατάλληλο για τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών.
230.000 μετρικοί τόνοι πολυπυριτίου παρήχθησαν το 2013. Οι κυριότεροι παραγωγοί περιλαμβάνουν τους GCL Poly, Wacker-Chemie και OCI.
Τέλος, για να γίνει πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας κατάλληλο για τη βιομηχανία ημιαγωγών και ορισμένες φωτοβολταϊκές τεχνολογίες, το πολυπυριτικό πρέπει να μετατραπεί σε ένα εξαιρετικά καθαρό μονοκρυσταλλικό πυρίτιο μέσω της διαδικασίας Czochralski.
Για να γίνει αυτό, το πολυπυριτικό τήκεται σε χωνευτήριο στους 1425 ° C (2597 ° F) σε αδρανή ατμόσφαιρα. Στη συνέχεια βυθίζεται ένας κρύσταλλος σπόρων τοποθετημένος στο τετηγμένο μέταλλο και περιστρέφεται αργά και αφαιρείται, δίνοντας χρόνο για να αναπτυχθεί το πυρίτιο στο υλικό σπόρων.
Το προκύπτον προϊόν είναι μία ράβδος (ή μπουλόνια) μεταλλικού πυριτίου μονού κρυστάλλου που μπορεί να είναι τόσο καθαρή όσο 99,999999999 (11Ν). Αυτή η ράβδος μπορεί να είναι εφοδιασμένη με βόριο ή φώσφορο όπως απαιτείται για να τσιμπηθούν οι κβαντικές μηχανικές ιδιότητες όπως απαιτείται.
Η μονοκρυσταλλική ράβδος μπορεί να μεταφερθεί στους πελάτες ως έχει ή να τεμαχιστεί σε γκοφρέτες και να στιλβωθεί ή να κατασκευαστεί για συγκεκριμένους χρήστες.
Εφαρμογές:
Ενώ περίπου δέκα εκατομμύρια μετρικοί τόνοι σιδηροπυριτίου και μεταλλικού πυριτίου εξευγενίζονται κάθε χρόνο, η πλειονότητα του πυριτίου που χρησιμοποιείται εμπορικά είναι στην πραγματικότητα με τη μορφή ορυκτών πυριτίου, τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή παντός είδους από τσιμέντο, κονιάματα και κεραμικά, πολυμερή.
Το σιδηροπυρίτιο, όπως σημειώνεται, είναι η πιο συνηθισμένη μορφή μεταλλικού πυριτίου. Από την πρώτη χρήση του πριν από περίπου 150 χρόνια, το σιδηροπυρίτιο παρέμεινε ένας σημαντικός παράγοντας αποξείδωσης στην παραγωγή άνθρακα και ανοξείδωτου χάλυβα . Σήμερα, η τήξη χάλυβα παραμένει ο μεγαλύτερος καταναλωτής σιδηροπυριτίου.
Το σιδηροπυρίτιο έχει πολλές χρήσεις πέρα από τη χαλυβουργία. Πρόκειται για ένα προ-κράμα στην παραγωγή σιδηροπυριτίου μαγνησίου , ενός οζωθητήρα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή όλκιμου σιδήρου, καθώς και κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Pidgeon για τον καθαρισμό μαγνησίου υψηλής καθαρότητας.
Το σιδηροπυρίτιο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ανθεκτικών στη θερμότητα και τη διάβρωση σιδηρούχων κραμάτων πυριτίου καθώς και του πυριτίου, το οποίο χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτροκινητήρων και πυρήνων μετασχηματιστών.
Το μεταλλουργικό πυρίτιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη χαλυβουργία καθώς και σε ένα κράμα σε χύτευση αλουμινίου. Τα εξαρτήματα αυτοκινήτου αλουμινίου-πυριτίου (Al-Si) είναι ελαφριά και ισχυρότερα από τα εξαρτήματα που χυτεύονται από καθαρό αλουμίνιο. Τα τμήματα αυτοκινήτων όπως τα μπλοκ κινητήρα και οι ζάντες ελαστικών είναι μερικά από τα πιο συχνά χυμένα τμήματα πυριτίου αργιλίου.
Σχεδόν το ήμισυ του μεταλλουργικού πυριτίου χρησιμοποιείται από τη χημική βιομηχανία για την παραγωγή πυριτιούχου πυριτίου (παράγοντα πάχυνσης και ξηραντικού), σιλανίων (παράγοντα σύζευξης) και σιλικόνης (σφραγιστικά, συγκολλητικά και λιπαντικά).
Το πολυμερές φωτοβολταϊκού βαθμού χρησιμοποιείται κυρίως στην κατασκευή ηλιακών κυψελών πολυπυριτίου. Περίπου πέντε τόνοι πολυπυριτίου χρειάζονται για να δημιουργήσουν ένα μεγαβάτ ηλιακών μονάδων.
Επί του παρόντος, η ηλιακή τεχνολογία πολυισιλίων αντιπροσωπεύει περισσότερο από το ήμισυ της ηλιακής ενέργειας που παράγεται παγκοσμίως, ενώ η τεχνολογία μονοπυριτίου συμβάλλει περίπου στο 35%. Συνολικά, το 90% της ηλιακής ενέργειας που χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο συλλέγεται με τεχνολογία βασισμένη σε πυρίτιο.
Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι επίσης ένα κρίσιμο υλικό ημιαγωγών που βρίσκεται στα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Ως υλικό υποστρώματος που χρησιμοποιείται στην παραγωγή τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (FET), LEDs και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, το πυρίτιο μπορεί να βρεθεί σχεδόν σε όλους τους υπολογιστές, τα κινητά τηλέφωνα, τα tablet, τις τηλεοράσεις, τα ραδιόφωνα και άλλες σύγχρονες συσκευές επικοινωνίας.
Εκτιμάται ότι πάνω από το ένα τρίτο όλων των ηλεκτρονικών συσκευών περιέχουν τεχνολογία ημιαγωγών με βάση το πυρίτιο.
Τέλος, το καρβίδιο πυριτίου σκληρού κράματος χρησιμοποιείται σε ποικίλες ηλεκτρονικές και μη ηλεκτρονικές εφαρμογές, όπως συνθετικά κοσμήματα, ημιαγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, σκληρά κεραμικά, εργαλεία κοπής, δισκόφρενα, λειαντικά, αλεξίσφαιρα γιλέκα και θερμαντικά στοιχεία.
Πηγές:
Μια σύντομη ιστορία του κράματος χάλυβα και της παραγωγής σιδηροκραμάτων.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri και Seppo Louhenkilpi.
Σχετικά με τον ρόλο των σιδηροκραμάτων στη χαλυβουργία. 9-13 Ιουνίου 2013. Το δέκατο τρίτο Διεθνές Συνέδριο Ferroalloys. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Ακολουθήστε το Terence στο Google+