Metallisk silicium er et gråt, skinnende halvledermetal, der bruges til at fremstille stål, solceller og mikrochips. Silicium er det næstmest udbredte grundstof i jordskorpen (kun bag ilt) og det ottende mest almindelige i universet. Næsten 30 procent af vægten af jordskorpen kan tilskrives silicium.
Dette grundstof med atomnummer 14 forekommer naturligt i silikatmineraler som silica, feldspat og glimmer, som er hovedbestanddelene i almindelige bjergarter som kvarts og sandsten. Silicium, et halvmetal (eller metalloid), har nogle egenskaber af både metaller og ikke-metaller.
Som vand, men i modsætning til de fleste metaller, trækker silicium sig sammen i flydende tilstand og udvider sig, når det størkner. Det har relativt høje smelte- og kogepunkter, og når det krystalliseres, danner det en diamantkubisk krystalstruktur. Siliciums atomstruktur, som omfatter fire valenselektroner, der gør det muligt for silicium nemt at binde sig til andre elementer, er afgørende for dets funktion som halvleder og dets anvendelse i elektronik.
Ejendomme
Atomsymbol: Ja
Atomnummer: 14
Elementkategori: Metalloid
Massefylde: 2.329 g/cm3
Smeltepunkt: 2577 grader F (1414 grader)
Kogepunkt: 5909 grader F (3265 grader)
Mohs hårdhed: 7
Produktion
Det meste af det silicium, der raffineres hvert år, omkring 80 procent, produceres som ferrosilicium til brug ved fremstilling af jern og stål. Ferrosilicium kan indeholde mellem 15 og 90 procent silicium, afhængigt af støberiets behov.
Jern-silicium-legeringen fremstilles i en neddykket lysbueovn ved hjælp af reduktionssmeltning. Silica-rig malm og en kulstofkilde såsom kokskul (metallurgisk kul) knuses og fyldes i ovnen sammen med skrotet.
Ved temperaturer over 1900 grader (3450 grader F) reagerer kulstof med oxygen til stede i mineralet og danner kuliltegas. Det resterende jern og silicium kombineres i mellemtiden og danner smeltet ferrosilicium, som kan opsamles ved at banke på bunden af ovnen. Når ferrosilicium er afkølet og hærdet, kan det sendes og bruges direkte til fremstilling af jern og stål.
Den samme metode, ikke inklusive jern, bruges til at fremstille metallurgisk silicium med en renhed på mere end 99 procent. Metallurgisk silicium bruges også i stålstøbning samt til fremstilling af støbte aluminiumslegeringer og silankemikalier.
Metallurgisk silicium er klassificeret efter urenhedsniveauerne af jern, aluminium og calcium, der er til stede i legeringen. For eksempel indeholder metallisk silicium 553 mindre end 0,5 procent af hvert af metallerne, jern og aluminium, og mindre end 0,3 procent calcium.
Omkring 8 millioner tons ferrosilicium produceres på verdensplan hvert år, hvor Kina tegner sig for omkring 70 procent af denne total. Større producenter omfatter Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials og Elkem.
Yderligere 2,6 millioner tons metallurgisk silicium produceres årligt, det vil sige omkring 20 procent af det samlede raffinerede metalliske silicium. Kina står igen for omkring 80 procent af denne produktion. En overraskelse for mange er, at solenergi og elektroniske siliciumkvaliteter kun udgør en lille mængde (mindre end to procent) af al raffineret siliciumproduktion. For at gå over til sol-grade metallisk silicium (polysilicium), skal renheden øges til mere end 99,9999 procent (6N) rent silicium. Dette gøres ved en af tre metoder, den mest almindelige er Siemens-processen.
Siemens-processen involverer kemisk dampaflejring af en flygtig gas kendt som trichlorsilan. Trichlorsilan blæses ved 1150 grader (2102 grader F) på et siliciumfrø med høj renhed monteret på enden af en stang. Når det passerer over det, aflejres det højrent silicium i gassen på frøet.
Fluid bed-reaktor (FBR) og forbedret metallurgisk kvalitet (UMG) siliciumteknologi bruges også til at opgradere metal til polysilicium, der er egnet til fotovoltaisk industri. I 2013 blev der produceret 230,000 tons polysilicium. De vigtigste producenter er GCL Poly, Wacker-Chemie og OCI.
Endelig, for at silicium af elektronisk kvalitet er egnet til brug i halvlederindustrien og visse fotovoltaiske teknologier, skal polysilicium omdannes til ultrarent monokrystallinsk silicium ved hjælp af Czochralski-processen. For at gøre dette smeltes polysilicium i en digel ved 1425 grader (2597 grader F) i en inert atmosfære. En frøkrystal monteret på en stang nedsænkes derefter i det smeltede metal og roteres langsomt og fjernes, hvilket giver silicium tid til at vokse i frømaterialet.
Det resulterende produkt er en stang (eller boule) af enkeltkrystal siliciummetal, der kan nå 99,999999999 (11N) procent renhed. Denne stang kan doteres med bor eller fosfor efter behov for at modificere de kvantemekaniske egenskaber. Monokrystallinsk stang kan sendes til kunder som den er, eller skæres i wafers og poleres eller struktureres til specifikke brugere.
Ansøgninger
Selvom omkring ti millioner tons ferrosilicium og siliciummetal raffineres hvert år, er det meste af det kommercielle silicium i form af siliciummalme, som bruges til fremstilling af alt fra cement, mørtel og keramik til glas og polymerer.
Ferrosilicium er som nævnt den mest udbredte form for metallisk silicium. Siden det første gang blev brugt for omkring 150 år siden, er ferrosilicium forblevet et vigtigt deoxidationsmiddel i produktionen af kulstof og rustfrit stål. I dag er stålstøbning fortsat den største forbruger af ferrosilicium.
Ferrosilicium har dog andre anvendelser udover at fremstille stål. Det er en forlegering i produktionen af magnesium ferrosilicium, en pelletizer, der bruges til at fremstille duktilt jern, såvel som under Pidgeon-processen til at raffinere højrent magnesium. Ferrosilicium kan også bruges til at fremstille varme- og korrosionsbestandige jernholdige siliciumlegeringer samt siliciumstål, som bruges til fremstilling af elektriske motorer og transformatorkerner.
Metallurgisk silicium kan bruges i stålindustrien og som legeringsmiddel i aluminiumstøberi. Aluminium-silicium (Al-Si) bildele er lettere og stærkere end rene aluminiumsstøbegods. Autodele såsom motorblokke og fælge er nogle af de mest støbte aluminium-siliciumdele.
Næsten halvdelen af det metallurgiske silicium bruges i den kemiske industri til fremstilling af pyrogen silica (et fortyknings- og tørremiddel), silaner (et koblingsmiddel) og silikone (tætningsmidler, klæbemidler og smøremidler). Fotovoltaisk kvalitet polysilicium bruges primært til fremstilling af polysilicium solceller. Der skal bruges omkring fem tons polysilicium for at lave en megawatt solcellemoduler.
I øjeblikket tegner polysilicium solteknologi sig for mere end halvdelen af den solenergi, der produceres i verden, mens monosiliciumteknologi bidrager med omkring 35 procent. I alt er 90 procent af den solenergi, som mennesker bruger, indsamlet af siliciumbaseret teknologi.
Enkeltkrystal silicium er også et grundlæggende halvledermateriale i moderne elektronik. Som et substratmateriale, der bruges i produktionen af felteffekttransistorer (FET'er), LED'er og integrerede kredsløb, findes silicium i stort set alle moderne computere, mobiltelefoner, tablets, fjernsyn, radioer og andre kommunikationsenheder. Det anslås, at mere end en tredjedel af alle elektroniske enheder indeholder siliciumbaseret halvlederteknologi.
Endelig anvendes den hårde legerede siliciumcarbid i en lang række elektroniske og ikke-elektroniske applikationer, såsom syntetiske smykker, højtemperaturhalvledere, hård keramik, skæreværktøj, bremseskiver, slibemidler osv. skudsikre veste og varmeelementer.
