معدن السيليكون هو معدن شبه موصل لامع رمادي يستخدم لتصنيع الصلب والخلايا الشمسية والرقائق الدقيقة. يعتبر السيليكون ثاني أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض (خلف الأكسجين فقط) والعنصر الثامن الأكثر شيوعًا في الكون. يمكن أن يعزى ما يقرب من 30 في المئة من وزن قشرة الأرض إلى السيليكون.
يحدث العنصر الذي يحتوي على عدد ذري 14 بشكل طبيعي في معادن السيليكات ، بما في ذلك السيليكا والفلسبار والميكا ، والتي تعد مكونات رئيسية للصخور الشائعة مثل الكوارتز والحجر الرملي. شبه المعادن (أو ميتالويد) ، يحتوي السيليكون على بعض خصائص المعادن وغير المعدنية.
مثل الماء - ولكن على عكس معظم المعادن - يتقلص السليكون في حالته السائلة ويتوسع عندما يصلب. لديها نقاط انصهار وغليان مرتفعة نسبياً ، وعندما تكون متبلورة تشكل بنية بلورية مكعبة من الألماس. يعد الدور الذري للعنصر الحاسم بالنسبة لدور السيليكون كأشباه موصلات واستخدامه في الإلكترونيات هيكل ، والذي يتضمن أربعة إلكترونات التكافؤ التي تسمح للسيليكون للسندات مع العناصر الأخرى بسهولة.
الخصائص
- الرمز الذري: Si
- الرقم الذري: 14
- فئة العنصر: Metalloid
- الكثافة: 2.329 جم / سم 3
- نقطة الانصهار: 2577 درجة فهرنهايت (1414 درجة مئوية)
- نقطة الغليان: 5909 درجة فهرنهايت (3265 درجة مئوية)
- صلابة موه: 7
التاريخ
يرجع الفضل إلى الكيميائي السويدي Jons Jacob Berzerlius في عزل السيليكون لأول مرة في عام 1823. أنجزت Berzerlius هذا عن طريق تسخين البوتاسيوم المعدني (الذي كان قد تم عزله فقط قبل عقد من الزمان) في بوتقة جنبا إلى جنب مع فلوسيليكات البوتاسيوم. وكانت النتيجة السيليكون غير المتبلور.
صنع السيليكون البلوري ، ومع ذلك ، يتطلب المزيد من الوقت. لن يتم إجراء عينة إلكتروليتية من السيليكون البلوري لثلاثة عقود أخرى. كان أول استخدام تجاري للسيليكون في شكل السيليكون.
بعد هنري بيسمر تحديث صناعة الصلب في منتصف القرن 19 ، كان هناك اهتمام كبير في صلب المعادن والبحث في تقنيات صناعة الصلب. بحلول وقت الإنتاج الصناعي الأول من السيليكون في ثمانينات القرن التاسع عشر ، كانت أهمية السيليكون في التحسن ليونة في الخنزير حديد وكان مزيل الأكسدة الصلب مفهومة جيدا إلى حد ما.
تم الإنتاج المبكر للسليكون في أفران الصهر عن طريق الحد من الخامات المحتوية على السيليكون بالفحم ، مما أدى إلى الحديد الخنزير الفضي ، وهو السيليكون الذي يحتوي على نسبة تصل إلى 20 في المائة من السيليكون.
إن تطوير أفران القوس الكهربائي في بداية القرن العشرين لم يسمح فقط بزيادة إنتاج الصلب ، ولكن أيضًا إنتاج المزيد من السيليكون الحديدي. في عام 1903 ، بدأت مجموعة متخصصة في صناعة السبائك الحديدية (Compagnie Generate d'Electrochimie) عمليات في ألمانيا وفرنسا والنمسا ، وفي عام 1907 ، كان أول مصنع للسيليكون التجاري في الولايات المتحدة تأسست.
لم يكن Steelmaking هو التطبيق الوحيد لمركبات السيليكون التي يتم تسويقها قبل نهاية القرن التاسع عشر. لإنتاج الماس الصناعي في عام 1890 ، قام إدوارد جودريتش أتشيسون بتسخين سيليكات الألومنيوم مع فحم الكوك المسحوق وكربيد السيليكون المنتج بالمناسبة (SiC).
بعد ثلاث سنوات قام Acheson ببراءة اختراع طريقة إنتاجه وأسس شركة Carborundum (carborundum) كونه الاسم الشائع لكربيد السيليكون في ذلك الوقت) لغرض صنع وبيع المواد الكاشطة منتجات.
وبحلول أوائل القرن العشرين ، تحققت أيضًا خصائص موصل كربيد السيليكون ، وتم استخدام المركب ككاشف في أجهزة الراديو الخاصة بالسفن المبكرة. منحت GW Pickard براءة اختراع للكشف عن الكريستال السيليكون في عام 1906.
في عام 1907 ، تم إنشاء أول الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) من خلال تطبيق الجهد على بلورة كربيد السيليكون. خلال الثلاثينيات من القرن العشرين ، نما استخدام السيليكون مع تطوير منتجات كيميائية جديدة ، بما في ذلك السيلانيات والسيليكات. لقد كان نمو الإلكترونيات على مدار القرن الماضي مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بالسليكون وخصائصه الفريدة.
في حين أن إنشاء أول الترانزستورات - السلائف للرقائق الحديثة - في الأربعينيات كان يعتمد عليها الجرمانيوم، لم يمض وقت طويل قبل أن يحل السيليكون محل ابن عمه المادي كمواد أشباه الموصلات أكثر دواما. بدأت Bell Labs و Texas Instruments في إنتاج الترانزستورات القائمة على السيليكون تجاريًا في عام 1954.
تم تصنيع أول دوائر متكاملة من السيليكون في الستينيات ، وبحلول السبعينيات ، تم تطوير معالجات تحتوي على السيليكون. بالنظر إلى أن تكنولوجيا أشباه الموصلات القائمة على السيليكون تشكل العمود الفقري للإلكترونيات الحديثة و الحوسبة ، ينبغي ألا يكون مفاجئًا أن نشير إلى مركز النشاط لهذه الصناعة باسم "السيليكون" الوادي.'
(لإلقاء نظرة تفصيلية على تاريخ وتطوير وادي السيليكون وتكنولوجيا الرقائق الدقيقة ، أوصي بشدة بفيلم التجربة الأمريكية المعنون "وادي السيليكون"). لم يمض وقت طويل بعد كشف النقاب عن الترانزستورات الأولى ، أدى عمل Bell Labs مع السيليكون إلى انفراج رئيسي ثانٍ عام 1954: أول خلية كهروضوئية من السيليكون (شمسية).
قبل ذلك ، كان يعتقد أن تسخير الطاقة من الشمس لتوليد الطاقة على الأرض أمر مستحيل. ولكن بعد أربع سنوات فقط ، في عام 1958 ، كان أول قمر صناعي يعمل بخلايا السيليكون الشمسية يدور حول الأرض.
بحلول سبعينيات القرن العشرين ، نمت التطبيقات التجارية لتكنولوجيات الطاقة الشمسية لتتحول إلى تطبيقات أرضية مثل تشغيل الإضاءة على منصات النفط البحرية ومعابر السكك الحديدية. على مدى العقدين الماضيين ، نما استخدام الطاقة الشمسية بشكل كبير. اليوم ، تمثل تقنيات الطاقة الشمسية القائمة على السيليكون حوالي 90 بالمائة من سوق الطاقة الشمسية العالمي.
إنتاج
غالبية السيليكون المكرر كل عام - حوالي 80 في المئة - يتم إنتاجها من السيليكون الحديدي لاستخدامها في الحديد و صناعة الصلب. يمكن أن يحتوي السيليكون الحديدي في أي مكان ما بين 15 و 90 في المائة من السيليكون حسب متطلبات المصهر.
ال سبيكة من الحديد والسيليكون ينتج باستخدام فرن القوس الكهربائي المغمور عن طريق الحد من الصهر. يتم سحق خام خام السيليكا ومصدر الكربون مثل فحم الكوك (الفحم المعدني) وتحميله في الفرن مع الحديد الخردة.
في درجات حرارة تزيد عن 1900°ج (3450°F) ، يتفاعل الكربون مع الأكسجين الموجود في الخام ، مكونًا غاز أول أكسيد الكربون. وفي الوقت نفسه ، يتم دمج الحديد والسيليكون المتبقيين لصنع السيليكون المصهور ، والذي يمكن جمعه عن طريق النقر على قاعدة الفرن. وبمجرد تبريده وتصلبه ، يمكن بعد ذلك شحن السيليكون الحديدي واستخدامه مباشرة في صناعة الحديد والصلب.
يتم استخدام الطريقة نفسها ، دون إدراج الحديد ، لإنتاج السيليكون المعدني بدرجة أعلى من 99 في المائة. يستخدم السيليكون المعدني أيضًا في صهر الفولاذ ، وكذلك في تصنيع سبائك الألمنيوم المصبوب والكيماويات السيلانية.
يتم تصنيف السيليكون المعدني حسب مستويات شوائب الحديد ، الألومنيوموالكالسيوم الموجود في السبائك. على سبيل المثال ، يحتوي 553 معدن من السيليكون على أقل من 0.5 في المائة من كل من الحديد والألومنيوم ، وأقل من 0.3 في المائة من الكالسيوم.
يتم إنتاج حوالي 8 مليون طن متري من الفيروسيليكون كل عام على مستوى العالم ، حيث تمثل الصين حوالي 70 في المائة من هذا الإجمالي. ومن كبار المنتجين مجموعة Erdos Metallurgy Group و Ningxia Rongsheng Ferroalloy و Group OM Materials و Elkem.
يتم إنتاج 2.6 مليون طن متري إضافية من السيليكون المعدني - أو حوالي 20 بالمائة من إجمالي معدن السيليكون المكرر - سنويًا. مرة أخرى ، تستأثر الصين بحوالي 80 في المائة من هذا الناتج. المفاجأة للكثيرين هي أن الدرجات الشمسية والإلكترونية من السليكون تمثل فقط كمية صغيرة (أقل من اثنين في المائة) من إجمالي إنتاج السيليكون المكرر. للترقية إلى معدن السليكون المعدني للطاقة الشمسية (البولي سيليكون) ، يجب أن تزداد النقاوة إلى 99.9999٪ (6N) من السيليكون النقي. يتم ذلك عن طريق إحدى الطرق الثلاث ، وأكثرها شيوعًا عملية سيمنس.
تتضمن عملية سيمنز ترسب البخار الكيميائي لغاز متطاير يعرف باسم ثلاثي كلورو سيلان. عند 1150°ج (2102°و) يتم نفخ ثلاثي كلورو سيلان فوق بذرة سيليكون عالية النقاء مركبة في نهاية قضيب. أثناء مرورها ، يتم ترسيب السيليكون عالي النقاوة من الغاز على البذور.
كما يتم استخدام مفاعل الطبقة السائلة (FBR) وتكنولوجيا السليكون المعدني (UMG) المحسنة لتعزيز المعدن إلى البولي سيلكون المناسب للصناعة الكهروضوئية. تم إنتاج مائتين وثلاثين ألف طن متري من البولي سيليكون في عام 2013. المنتجون الرواد يشملون GCL Poly و Wacker-Chemie و OCI.
وأخيرًا ، لجعل السيليكون من الدرجة الإلكترونية مناسبًا لصناعة أشباه الموصلات وبعضها التقنيات الكهروضوئية ، يجب تحويل البولي سيليكون إلى سيليكون أحادي البلورة نقي عبر ال عملية Czochralski. للقيام بذلك ، يتم إذابة البولي سيليكون في بوتقة عام 1425°ج (2597°و) في جو خامل. ثم يتم غمر بلورة بذرة مثبتة على قضيب في المعدن المنصهر وتدويره وإزالته ببطء ، مما يمنح الوقت للسيليكون للنمو على مادة البذور.
المنتج الناتج هو قضيب (أو بول) من معدن السيليكون البلوري المفرد الذي يمكن أن يصل إلى 99.999999999 (11N) بالمائة نقية. يمكن أن يكون هذا القضيب مخدرًا بالبورون أو الفوسفور حسب الحاجة لتعديل القرص ميكانيكي الكم كما هو مطلوب. يمكن شحن قضيب أحادي البلورة للعملاء كما هو ، أو تقطيعه إلى شرائح ويفر مصقول أو محكم لمستخدمين محددين.
التطبيقات
في حين يتم تكرير ما يقرب من عشرة ملايين طن متري من معدن الحديد والسليكون كل عام ، فإن غالبية السيليكون المستخدم تجاريًا في الواقع في شكل معادن السيليكون ، والتي تستخدم في تصنيع كل شيء من الاسمنت والملاط والسيراميك ، إلى الزجاج و البوليمرات.
يعتبر الفيروسيليكون ، كما لوحظ ، الشكل الأكثر استخدامًا للسيليكون المعدني. منذ استخدامه لأول مرة منذ حوالي 150 عامًا ، ظل الفيروسيليكون عاملًا مهمًا لإزالة الأكسدة في إنتاج الكربون و الفولاذ المقاوم للصدأ. اليوم ، لا يزال صهر الفولاذ أكبر مستهلك للفيريوسيليكون.
يحتوي Ferrosilicon على عدد من الاستخدامات بخلاف صناعة الصلب. هو سبيكة مسبقة في إنتاج المغنيسيوم ferrosilicon ، عجينة تستخدم لإنتاج حديد الدكتايل ، وكذلك أثناء عملية Pidgeon لتنقية المغنيسيوم عالي النقاء. يمكن استخدام الفيروسيليكون في صنع الحرارة و تآكل سبائك السليكون الحديدية المقاومة للصلب وكذلك الفولاذ السليكوني المستخدم في صناعة المحركات الكهربائية ونوى المحولات.
يمكن استخدام السليكون المعدني في صناعة الصلب بالإضافة إلى عامل السبائك في صب الألومنيوم. تتميز أجزاء السيارة المصنوعة من الألمنيوم والسيليكون (Al-Si) بخفة الوزن وأقوى من المكونات المصبوبة من الألمنيوم النقي. تعتبر قطع غيار السيارات مثل كتل المحرك وحواف الإطارات من أكثر أجزاء سيليكون الألمنيوم المصبوب شيوعًا.
يتم استخدام ما يقرب من نصف جميع السيليكون المعدني من قبل الصناعة الكيميائية لصنع السيليكا المدخنة (أ عامل سماكة ومجفف) ، سيلان (عامل اقتران) وسيليكون (مواد مانعة للتسرب ، مواد لاصقة ، و مواد التشحيم). يستخدم البولي سيلكون من الدرجة الكهروضوئية في المقام الأول في صنع الخلايا الشمسية من البولي سيلكون. هناك حاجة إلى حوالي خمسة أطنان من البولي سيلكون لصنع ميجاوات واحدة من الوحدات الشمسية.
في الوقت الحالي ، تمثل تقنية البولي سيليكون للطاقة الشمسية أكثر من نصف الطاقة الشمسية المنتجة عالميًا ، في حين تساهم تقنية المونوسيليكون بحوالي 35 بالمائة. في المجموع ، يتم جمع 90 في المائة من الطاقة الشمسية التي يستخدمها البشر بواسطة التكنولوجيا القائمة على السيليكون.
السيليكون أحادي البلورة هو أيضًا مادة شبه موصلة حرجة موجودة في الإلكترونيات الحديثة. كمادة الركيزة المستخدمة في إنتاج الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FETs) ، LEDs والدوائر المتكاملة ، السيليكون يمكن العثور عليها تقريبًا في جميع أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية والتلفزيونات وأجهزة الراديو والاتصالات الحديثة الأخرى الأجهزة. تشير التقديرات إلى أن أكثر من ثلث جميع الأجهزة الإلكترونية تحتوي على تقنية أشباه الموصلات القائمة على السيليكون.
أخيرًا ، يتم استخدام كربيد السيليكون الصلب في مجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية وغير الإلكترونية ، بما في ذلك الاصطناعية المجوهرات ، وأشباه الموصلات ذات درجة الحرارة العالية ، والسيراميك الصلب ، وأدوات القطع ، وأقراص الفرامل ، والمواد الكاشطة ، والسترات الواقية من الرصاص ، والتدفئة عناصر.
المصادر:
تاريخ موجز لسبائك الصلب وإنتاج السبائك الحديدية.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
هولابا ولوري وسيبو لوهينكيلبي.
حول دور السبائك الحديدية في صناعة الصلب. 9-13 يونيو 2013. المؤتمر الدولي الثالث عشر للسبائك الحديدية. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf