Wissenschaft

Die Eigenschaften und Verwendungen von Siliziummetall

Siliziummetall ist ein graues und glänzendes halbleitendes Metall, aus dem Stahl, Solarzellen und Mikrochips hergestellt werden. Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste (nur nach Sauerstoff) und das achthäufigste Element im Universum. Fast 30 Prozent des Gewichts der Erdkruste sind auf Silizium zurückzuführen.

Das Element mit der Ordnungszahl 14 kommt natürlicherweise in Silikatmineralien vor, einschließlich Kieselsäure, Feldspat und Glimmer, die Hauptbestandteile üblicher Gesteine ​​wie Quarz und Sandstein sind. Als Halbmetall (oder Metalloid. besitzt Silizium einige Eigenschaften sowohl von Metallen als auch von Nichtmetallen.

Wie Wasser – aber im Gegensatz zu den meisten Metallen – zieht sich Silizium in flüssigem Zustand zusammen und dehnt sich beim Erstarren aus. Es hat relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte und bildet beim Kristallisieren eine kubische Diamantkristallstruktur. Entscheidend für die Rolle von Silizium als Halbleiter und seine Verwendung in der Elektronik ist die Atomstruktur des Elements, die vier Valenzelektronen enthält, die es Silizium ermöglichen, sich leicht mit anderen Elementen zu verbinden.

 

Eigenschaften

  • Atomsymbol: Si
  • Ordnungszahl: 14
  • Elementkategorie: Metalloid
  • Dichte: 2,329 g / cm³
  • Schmelzpunkt: 1414 ° C (2577 ° F)
  • Siedepunkt: 3265 ° C (5909 ° F)
  • Mohs Härte: 7

 

Geschichte

Dem schwedischen Chemiker Jons Jacob Berzerlius wird 1823 die erste Isolierung von Silizium zugeschrieben. Berzerlius erreichte dies, indem er metallisches Kalium (das erst ein Jahrzehnt zuvor isoliert worden war) in einem Tiegel zusammen mit Kaliumfluorsilikat erhitzte. Das Ergebnis war amorphes Silizium.

Die Herstellung von kristallinem Silizium erforderte jedoch mehr Zeit. Eine elektrolytische Probe aus kristallinem Silizium würde für weitere drei Jahrzehnte nicht hergestellt. Die erste kommerzialisierte Verwendung von Silizium erfolgte in Form von Ferrosilicium.

Nach Henry Bessemer die Modernisierung der Stahlindustrie in der Mitte des 19. Jahrhunderts gab es ein großes Interesse an Stahlmetallurgie und Forschung in Stahlherstellungstechniken. Durch die Zeit der ersten industriellen Herstellung von Ferrosilicium in den 1880er Jahren die Bedeutung von Silizium bei der Verbesserung der Duktilität in den Schweinen Eisen und Desoxidieren Stahl war ziemlich gut verstanden.

Die frühe Herstellung von Ferrosilicium erfolgte in Hochöfen durch Reduzieren von siliciumhaltigen Erzen mit Holzkohle, was zu silbrigem Roheisen führte, einem Ferrosilicium mit einem Siliciumgehalt von bis zu 20 Prozent.

Die Entwicklung von Lichtbogenöfen zu Beginn des 20. Jahrhunderts ermöglichte nicht nur eine größere Stahlproduktion, sondern auch eine höhere Ferrosiliciumproduktion. 1903 nahm eine auf die Herstellung der Ferrolegierung spezialisierte Gruppe (Compagnie Generate d’Electrochimie) ihren Betrieb in Deutschland, Frankreich und Österreich auf und 1907 wurde die erste kommerzielle Siliziumanlage in den USA gegründet.

Die Stahlherstellung war nicht die einzige Anwendung für Siliziumverbindungen, die vor dem Ende des 19. Jahrhunderts kommerzialisiert wurde. Um künstliche Diamanten im Jahr 1890 herzustellen, erhitzte Edward Goodrich Acheson Aluminiumsilikat mit Kokspulver und produzierte nebenbei Siliziumkarbid (SiC).

Drei Jahre später hatte Acheson seine Produktionsmethode patentiert und die Carborundum Company (Carborundum war zu dieser Zeit die gebräuchliche Bezeichnung für Siliziumkarbid) gegründet, um Schleifmittel herzustellen und zu verkaufen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden auch die Leitfähigkeitseigenschaften von Siliziumkarbid erkannt, und die Verbindung wurde als Detektor in frühen Schiffsradios verwendet. Ein Patent für Siliziumkristalldetektoren wurde GW Pickard 1906 erteilt.

1907 wurde die erste Leuchtdiode (LED) durch Anlegen einer Spannung an einen Siliziumkarbidkristall erzeugt. In den 1930er Jahren wuchs der Siliziumverbrauch mit der Entwicklung neuer chemischer Produkte, einschließlich Silanen und Silikonen. Das Wachstum der Elektronik im letzten Jahrhundert war auch untrennbar mit Silizium und seinen einzigartigen Eigenschaften verbunden.

Während die Entwicklung der ersten Transistoren – der Vorläufer moderner Mikrochips – in den 1940er Jahren auf Germanium beruhte , dauerte es nicht lange, bis Silizium seinen metalloiden Cousin als haltbareres Substrathalbleitermaterial verdrängte. Bell Labs und Texas Instruments begannen 1954 mit der kommerziellen Herstellung von Transistoren auf Siliziumbasis.

Die ersten integrierten Siliziumschaltungen wurden in den 1960er Jahren hergestellt, und in den 1970er Jahren wurden siliziumhaltige Prozessoren entwickelt. Angesichts der Tatsache, dass die auf Silizium basierende Halbleitertechnologie das Rückgrat moderner Elektronik und Computer bildet, sollte es nicht überraschen, dass wir das Zentrum der Aktivitäten für diese Branche als „Silicon Valley“ bezeichnen.

(Für einen detaillierten Blick auf die Geschichte und Entwicklung des Silicon Valley und der Mikrochip-Technologie empfehle ich die American Experience-Dokumentation mit dem Titel Silicon Valley.) Nicht lange nach der Enthüllung der ersten Transistoren führte die Arbeit von Bell Labs mit Silizium 1954 zu einem zweiten großen Durchbruch: Die erste Silizium-Photovoltaik- (Solar-) Zelle.

Zuvor wurde der Gedanke, die Energie der Sonne zu nutzen, um Energie auf der Erde zu erzeugen, von den meisten für unmöglich gehalten. Doch nur vier Jahre später, 1958, umkreiste der erste Satellit, der mit Siliziumsolarzellen betrieben wurde, die Erde.

In den 1970er Jahren waren kommerzielle Anwendungen für Solartechnologien zu terrestrischen Anwendungen wie der Stromversorgung von Offshore-Ölplattformen und Bahnübergängen gewachsen. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Nutzung von Sonnenenergie exponentiell zugenommen. Photovoltaik-Technologien auf Siliziumbasis machen heute rund 90 Prozent des globalen Solarmarktes aus.

 

Produktion

Der größte Teil des jährlich raffinierten Siliziums – etwa 80 Prozent – wird als Ferrosilicium für die Eisen- und  Stahlherstellung hergestellt. Ferrosilicium kann je nach den Anforderungen der Schmelze zwischen 15 und 90 Prozent Silizium enthalten.

Die  Legierung  aus Eisen und Silizium wird unter Verwendung eines untergetauchten Lichtbogenofens durch Reduktionsschmelzen hergestellt. Kieselsäurereiches Erz und eine Kohlenstoffquelle wie Kokskohle (metallurgische Kohle) werden zerkleinert und zusammen mit Eisenschrott in den Ofen geladen.

Bei Temperaturen über 1900 ° C (3450 ° F), Kohlenstoff reagiert mit dem Sauerstoff in dem Erz, bilden Kohlenmonoxidgas. Das verbleibende Eisen und Silizium verbinden sich dann zu geschmolzenem Ferrosilicium, das durch Klopfen auf den Boden des Ofens gesammelt werden kann. Nach dem Abkühlen und Aushärten kann das Ferrosilicium versandt und direkt in der Eisen- und Stahlherstellung verwendet werden.

Das gleiche Verfahren ohne Einschluss von Eisen wird verwendet, um metallurgisches Silizium herzustellen, das zu mehr als 99 Prozent rein ist. Metallurgisches Silizium wird auch beim Schmelzen von Stahl sowie bei der Herstellung von Aluminiumgusslegierungen und Silanchemikalien verwendet.

Metallurgisches Silizium wird anhand der Verunreinigungsgehalte von Eisen, Aluminium und Calcium in der Legierung klassifiziert  . Zum Beispiel enthält 553 Siliziummetall weniger als 0,5 Prozent jedes Eisens und Aluminiums und weniger als 0,3 Prozent Calcium.

Weltweit werden jährlich rund 8 Millionen Tonnen Ferrosilicium produziert, auf die rund 70 Prozent China entfallen. Zu den großen Herstellern zählen die Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, die Group OM Materials und Elkem.

Jährlich werden weitere 2,6 Millionen Tonnen metallurgisches Silizium – oder etwa 20 Prozent des gesamten raffinierten Siliziummetalls – produziert. Auf China entfallen wiederum rund 80 Prozent dieser Produktion. Eine Überraschung für viele ist, dass solare und elektronische Siliziumqualitäten nur einen geringen Anteil (weniger als zwei Prozent) der gesamten Produktion von raffiniertem Silizium ausmachen. Um auf Siliziummetall in Solarqualität (Polysilicium) aufzurüsten, muss die Reinheit auf über 99,9999% (6 N) reines Silizium erhöht werden. Dies geschieht nach einer von drei Methoden, wobei die häufigste Methode das Siemens-Verfahren ist.

Das Siemens-Verfahren beinhaltet die chemische Gasphasenabscheidung eines flüchtigen Gases, das als Trichlorsilan bekannt ist. Bei 1150 ° C (2102 ° F) wird Trichlorsilan über einen hochreinen Siliziumkeim geblasen, der am Ende eines Stabes angebracht ist. Beim Übergang wird hochreines Silizium aus dem Gas auf dem Keim abgelagert.

Der Wirbelschichtreaktor (FBR) und die verbesserte Siliziumtechnologie in metallurgischer Qualität (UMG) werden ebenfalls verwendet, um das Metall zu Polysilicium zu verbessern, das für die Photovoltaikindustrie geeignet ist. 2013 wurden zweihundertdreißigtausend Tonnen Polysilicium hergestellt. Zu den führenden Herstellern zählen GCL Poly, Wacker-Chemie und OCI.

Um Silizium in Elektronikqualität für die Halbleiterindustrie und bestimmte Photovoltaik-Technologien geeignet zu machen, muss Polysilicium über das Czochralski-Verfahren in ultrareines einkristallines Silizium umgewandelt werden. Zu diesem Zweck wird das Polysilicium in einem Tiegel bei 1425 ° C (2597 ° F) in einer inerten Atmosphäre geschmolzen . Ein auf einem Stab montierter Impfkristall wird dann in die Metallschmelze getaucht und langsam gedreht und entfernt, so dass das Silizium auf dem Keimmaterial wachsen kann.

Das resultierende Produkt ist ein Stab (oder eine Kugel) aus einkristallinem Siliziummetall, der bis zu 99,999999999 (11 N) Prozent rein sein kann. Dieser Stab kann nach Bedarf mit Bor oder Phosphor dotiert werden, um die quantenmechanischen Eigenschaften nach Bedarf zu optimieren. Der Einkristallstab kann unverändert an Kunden geliefert oder in Wafer geschnitten und für bestimmte Benutzer poliert oder strukturiert werden.

 

Anwendungen

Während jedes Jahr rund zehn Millionen Tonnen Ferrosilicium und Siliziummetall raffiniert werden, liegt der Großteil des kommerziell verwendeten Siliziums in Form von Siliziummineralien vor, die bei der Herstellung von Zement, Mörtel und Keramik bis hin zu Glas und Polymere.

Wie bereits erwähnt, ist Ferrosilicium die am häufigsten verwendete Form von metallischem Silicium. Ferrosilicium ist seit seiner ersten Verwendung vor rund 150 Jahren ein wichtiges Desoxidationsmittel bei der Herstellung von Kohlenstoff und  Edelstahl. Die Stahlschmelze ist bis heute der größte Verbraucher von Ferrosilicium.

Ferrosilicium hat jedoch eine Reihe von Anwendungen, die über die Stahlherstellung hinausgehen. Es ist eine Vorlegierung bei der Herstellung von  Magnesiumferrosilicium  , einem Knötchen, das zur Herstellung von duktilem Eisen verwendet wird, sowie während des Pidgeon-Prozesses zur Raffination von hochreinem Magnesium. Ferrosilicium kann auch verwendet werden, um hitze- und  korrosionsbeständige  Eisen-Silizium-Legierungen sowie Siliziumstahl herzustellen, der bei der Herstellung von Elektromotoren und Transformatorkernen verwendet wird.

Metallurgisches Silizium kann sowohl in der Stahlherstellung als auch als Legierungsmittel im Aluminiumguss verwendet werden. Aluminium-Silizium (Al-Si) -Autoteile sind leicht und fester als Komponenten aus reinem Aluminium. Autoteile wie Motorblöcke und Reifenfelgen gehören zu den am häufigsten verwendeten Aluminium-Siliziumgussteilen.

Fast die Hälfte des gesamten metallurgischen Siliziums wird von der chemischen Industrie zur Herstellung von Quarzstaub (Verdickungsmittel und Trockenmittel), Silanen (Haftvermittler) und Silikon (Dichtungs-, Klebstoff- und Schmiermittel) verwendet. Polysilicium in Photovoltaikqualität wird hauptsächlich zur Herstellung von Polysilicium-Solarzellen verwendet. Für die Herstellung von einem Megawatt Solarmodulen werden etwa fünf Tonnen Polysilicium benötigt.

Derzeit macht die Polysilicium-Solartechnologie mehr als die Hälfte der weltweit produzierten Solarenergie aus, während die Monosilicium-Technologie rund 35 Prozent ausmacht. Insgesamt werden 90 Prozent der vom Menschen verbrauchten Sonnenenergie mithilfe der Siliziumtechnologie gesammelt.

Einkristallines Silizium ist auch ein kritisches Halbleitermaterial in der modernen Elektronik. Als Substratmaterial für die Herstellung von Feldeffekttransistoren (FETs), LEDs und integrierten Schaltkreisen ist Silizium in nahezu allen Computern, Mobiltelefonen, Tablets, Fernsehgeräten, Radios und anderen modernen Kommunikationsgeräten enthalten. Schätzungen zufolge enthält mehr als ein Drittel aller elektronischen Geräte eine Halbleitertechnologie auf Siliziumbasis.

Schließlich wird das hartlegierte Siliziumkarbid in einer Vielzahl von elektronischen und nicht elektronischen Anwendungen verwendet, einschließlich synthetischem Schmuck, Hochtemperaturhalbleitern, Hartkeramik, Schneidwerkzeugen, Bremsscheiben, Schleifmitteln, kugelsicheren Westen und Heizelementen.

 

Quellen:

Eine kurze Geschichte der Stahllegierung und der Herstellung von Ferrolegierungen. 
URL:  http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri und Seppo Louhenkilpi. 

Über die Rolle von Ferrolegierungen bei der Stahlherstellung.  9.-13. Juni 2013. Der dreizehnte Internationale Kongress für Ferrolegierungen. URL:  http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf

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