Uno sguardo al silicio semi-metallico
Il silicio metallico è un metallo semiconduttivo grigio e brillante che viene utilizzato per fabbricare acciaio, celle solari e microchip.
Il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre (dietro solo all'ossigeno) e l'ottavo elemento più comune nell'universo. In effetti, quasi il 30 percento del peso della crosta terrestre può essere attribuito al silicio.
L'elemento con numero atomico 14 si trova naturalmente nei minerali di silicato, tra cui silice, feldspato e mica, che sono i principali componenti delle rocce comuni come il quarzo e l'arenaria.
Un semi-metallo (o metalloide ), il silicio possiede alcune proprietà sia dei metalli che dei non-metalli.
Come l'acqua, ma a differenza della maggior parte dei metalli, il silicio si contrae nel suo stato liquido e si espande mentre si solidifica. Ha punti di fusione e di ebollizione relativamente alti, e quando cristallizza forma una struttura di cristallo cubico di diamante.
Fondamentale per il ruolo del silicio come semiconduttore e il suo uso nell'elettronica è la struttura atomica dell'elemento, che include quattro elettroni di valenza che consentono al silicio di legarsi prontamente con altri elementi.
Proprietà:
- Simbolo atomico: Si
- Numero atomico: 14
- Elemento Categoria: Metalloid
- Densità: 2,393 g / cm3
- Punto di fusione: 2577 ° F (1414 ° C)
- Punto di ebollizione: 5909 ° F (3265 ° C)
- Durezza di Moh: 7
Storia:
Il chimico svedese Jons Jacob Berzerlius è accreditato con il primo silicio isolante nel 1823. Berzerlius realizzò questo riscaldando il potassio metallico (che era stato isolato solo un decennio prima) in un crogiolo insieme al fluorosilicato di potassio.
Il risultato era silicio amorfo.
Realizzare il silicio cristallino, tuttavia, ha richiesto più tempo. Un campione elettrolitico di silicio cristallino non sarebbe stato realizzato per altri tre decenni.
Il primo uso commerciale del silicio era sotto forma di ferrosilicio.
Seguendo la modernizzazione dell'industria siderurgica di Henry Bessemer a metà del 19 ° secolo, vi fu un grande interesse per la metallurgia dell'acciaio e la ricerca nelle tecniche di produzione dell'acciaio.
All'epoca della prima produzione industriale di ferrosilicio nel 1880, l'importanza del silicio nel migliorare la duttilità della ghisa e l'acciaio disossidante era abbastanza ben compresa.
La produzione anticipata di ferrosilicio è stata effettuata in altiforni riducendo i minerali contenenti silicio con carbone di legna, che ha portato alla produzione di ghisa argentea, un ferrosilicio con contenuto di silicio fino al 20%.
Lo sviluppo di forni elettrici ad arco all'inizio del XX secolo ha permesso non solo una maggiore produzione di acciaio , ma anche una maggiore produzione di ferrosilicio.
Nel 1903, un gruppo specializzato nella fabbricazione della ferrolega (Compagnie Generate d'Electrochimie) iniziò le operazioni in Germania, Francia e Austria e, nel 1907, fu fondata la prima fabbrica di silicio commerciale negli Stati Uniti.
La produzione di acciaio non era l'unica applicazione per composti di silicio commercializzati prima della fine del 19 ° secolo.
Per produrre diamanti artificiali nel 1890, Edward Goodrich Acheson riscaldò il silicato di alluminio con coke in polvere e carburo di silicio (SiC) prodotto per inciso.
Tre anni dopo Acheson aveva brevettato il suo metodo di produzione e fondato la Carborundum Company (il carborundum era il nome comune per il carburo di silicio dell'epoca) allo scopo di produrre e vendere prodotti abrasivi.
All'inizio del XX secolo erano state realizzate anche proprietà conduttive del carburo di silicio e il composto veniva usato come rivelatore nelle prime radio della nave. Un brevetto per i rivelatori di cristalli di silicio è stato concesso a GW Pickard nel 1906.
Nel 1907 fu creato il primo diodo ad emissione luminosa (LED) applicando la tensione a un cristallo di carburo di silicio.
Durante il 1930 l'uso del silicio crebbe con lo sviluppo di nuovi prodotti chimici, tra cui silani e siliconi.
La crescita dell'elettronica nel secolo scorso è stata anche inestricabilmente legata al silicio e alle sue proprietà uniche.
Mentre la creazione dei primi transistor - i precursori dei moderni microchip - negli anni '40 si basava sul germanio , non passò molto tempo prima che il silicio sostituisse il suo cugino metalloide come materiale semiconduttore di substrato più duraturo.
Bell Labs e Texas Instruments iniziarono commercialmente la produzione di transistor a base di silicio nel 1954.
I primi circuiti integrati al silicio furono realizzati negli anni '60 e, negli anni '70, erano stati sviluppati processori contenenti silicio.
Dato che la tecnologia dei semiconduttori a base di silicio costituisce la spina dorsale dell'elettronica e dell'informatica moderna, non dovrebbe sorprendere che ci riferiamo al fulcro dell'attività di questo settore come "Silicon Valley".
(Per uno sguardo dettagliato alla storia e allo sviluppo della Silicon Valley e della tecnologia dei microchip, consiglio vivamente il documentario American Experience intitolato Silicon Valley).
Non molto tempo dopo aver scoperto i primi transistor, il lavoro di Bell Labs con il silicio ha portato a una seconda importante svolta nel 1954: la prima cella fotovoltaica al silicio (solare).
Prima di questo, il pensiero di sfruttare l'energia del sole per creare energia sulla terra era ritenuto impossibile dalla maggior parte. Ma solo quattro anni dopo, nel 1958, il primo satellite alimentato da celle solari al silicio stava orbitando intorno alla Terra.
Negli anni '70, le applicazioni commerciali per le tecnologie solari erano diventate applicazioni terrestri come l'illuminazione di impianti di perforazione petrolifera off-shore e passaggi a livello.
Negli ultimi due decenni, l'uso dell'energia solare è cresciuto in modo esponenziale. Oggi, le tecnologie fotovoltaiche basate sul silicio rappresentano circa il 90% del mercato globale dell'energia solare.
Produzione:
La maggior parte del silicio raffinato ogni anno - circa l'80 percento - viene prodotto come ferrosilicio per l'uso nel ferro e nell'acciaieria. Il ferrosilicio può contenere ovunque tra il 15 e il 90% di silicio, a seconda delle esigenze della fonderia.
La lega di ferro e silicio è prodotta utilizzando un forno ad arco elettrico sommerso tramite fusione di riduzione. Il minerale ricco di silice e una fonte di carbonio come il carbone da coke (carbone metallurgico) vengono frantumati e caricati nel forno insieme a rottami di ferro.
A temperature superiori a 1900 ° C (3450 ° F), il carbonio reagisce con l'ossigeno presente nel minerale, formando gas monossido di carbonio. Il ferro rimanente e il silicio, nel frattempo, si combinano per formare il ferrosilicio fuso, che può essere raccolto picchiettando sulla base del forno.
Una volta raffreddato e indurito, il ferrosilicio può quindi essere spedito e utilizzato direttamente nella produzione di ferro e acciaio.
Lo stesso metodo, senza l'inclusione del ferro, viene utilizzato per produrre silicio di qualità metallurgica superiore al 99% puro. Il silicio metallurgico viene utilizzato anche nella fusione dell'acciaio, così come nella produzione di leghe di alluminio fuso e di sostanze chimiche silaniche.
Il silicio metallurgico è classificato dai livelli di impurità di ferro, alluminio e calcio presenti nella lega. Ad esempio, il metallo siliconico 553 contiene meno dello 0,5 percento di ogni ferro e alluminio e meno dello 0,3 percento di calcio.
Circa 8 milioni di tonnellate metriche di ferrosilicio vengono prodotte ogni anno a livello globale, con la Cina che rappresenta circa il 70% di questo totale. I grandi produttori includono Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials ed Elkem.
Ulteriori 2,6 milioni di tonnellate di silicio metallurgico - o circa il 20% del metallo silicio raffinato totale - vengono prodotte ogni anno. La Cina, ancora una volta, rappresenta circa l'80% di questa produzione.
Una sorpresa per molti è che i tipi di silicio solare ed elettronico rappresentano solo una piccola quantità (meno del due percento) di tutta la produzione di silicio raffinato.
Per passare al silicio metallico di grado solare (polisilicio), la purezza deve aumentare fino al 99,9999% (6 N) di silicio puro. Ciò avviene tramite uno dei tre metodi, il più comune è il processo Siemens.
Il processo Siemens comporta la deposizione chimica da vapore di un gas volatile noto come triclorosilano. A 1150 ° C (2102 ° F) il triclorosilano viene soffiato su un seme di silicio di elevata purezza montato all'estremità di un'asta. Mentre passa sopra, il silicio ad alta purezza dal gas viene depositato sul seme.
Il reattore a letto fluido (FBR) e la tecnologia di silicio metallurgico di qualità superiore (UMG) vengono utilizzati anche per migliorare il metallo in polisilicio adatto per l'industria fotovoltaica.
Nel 2013 sono state prodotte 230.000 tonnellate di polisilicio. Tra i principali produttori figurano GCL Poly, Wacker-Chemie e OCI.
Infine, per rendere il silicio di qualità elettronica adatto per l'industria dei semiconduttori e alcune tecnologie fotovoltaiche, il polisilicio deve essere convertito in un silicio monocristallo ultra-puro attraverso il processo Czochralski.
Per fare ciò, il polisilicio viene fuso in un crogiolo a 1425 ° C (2597 ° F) in un'atmosfera inerte. Un cristallo di semi montato su asta viene quindi immerso nel metallo fuso e lentamente ruotato e rimosso, dando il tempo per il silicio di crescere sul materiale seme.
Il prodotto risultante è una bacchetta (o boule) di metallo siliconico monocristallino che può raggiungere anche il 99,999999999 (11N)%. Questa asta può essere drogata con boro o fosforo come richiesto per modificare le proprietà meccaniche quantistiche come richiesto.
L'asta monocristallina può essere spedita ai clienti così com'è o tagliata in fette e lucidata o testurizzata per utenti specifici.
applicazioni:
Mentre circa dieci milioni di tonnellate di ferrosilicio e silicio metallico vengono raffinate ogni anno, la maggior parte del silicio utilizzato commercialmente è in realtà sotto forma di minerali di silicio, che vengono utilizzati nella fabbricazione di tutto, da cemento, malte e ceramiche, al vetro e polimeri.
Il ferrosilicio, come notato, è la forma più comunemente usata di silicio metallico. Fin dal suo primo utilizzo circa 150 anni fa, il ferrosilicio è rimasto un importante agente disossidante nella produzione di carbonio e acciaio inossidabile . Oggi, la fusione dell'acciaio rimane il più grande consumatore di ferrosilicio.
Il ferrosilicio ha un numero di usi al di là dell'acciaio, tuttavia. È una lega pre-lega nella produzione di ferrosilicio di magnesio , un nodulizzatore usato per produrre ferro duttile, così come durante il processo Pidgeon per la raffinazione del magnesio ad alta purezza.
Il ferrosilicio può anche essere utilizzato per produrre leghe di silicio ferroso resistenti al calore e alla corrosione , nonché l'acciaio al silicio, che viene utilizzato nella produzione di elettromotori e nuclei di trasformatori.
Il silicio metallurgico può essere utilizzato nell'industria dell'acciaio così come un agente legante nella fusione di alluminio. Le parti di auto in alluminio-silicio (Al-Si) sono leggere e resistenti rispetto ai componenti realizzati in alluminio puro. Parti automobilistiche come blocchi motore e cerchioni sono alcune delle parti in silicio più comunemente fuse in alluminio.
Quasi la metà di tutto il silicio metallurgico è utilizzato dall'industria chimica per produrre silice fumata (un agente addensante e disidratante), silani (un agente di accoppiamento) e silicone (sigillanti, adesivi e lubrificanti).
Il polisilicio di grado fotovoltaico è utilizzato principalmente nella produzione di celle solari in polisilicio. Sono necessarie circa cinque tonnellate di polisilicio per realizzare un megawatt di moduli solari.
Attualmente, la tecnologia solare in polisilicio rappresenta oltre la metà dell'energia solare prodotta a livello globale, mentre la tecnologia del monosilicio contribuisce per circa il 35%. In totale, il 90 percento dell'energia solare utilizzata dagli esseri umani viene raccolta dalla tecnologia a base di silicio.
Il silicio monocristallino è anche un materiale semiconduttore critico trovato nell'elettronica moderna. Come materiale di substrato utilizzato nella produzione di transistor a effetto di campo (FET), LED e circuiti integrati, il silicio può essere trovato praticamente in tutti i computer, telefoni cellulari, tablet, televisori, radio e altri moderni dispositivi di comunicazione.
Si stima che oltre un terzo di tutti i dispositivi elettronici contengano la tecnologia dei semiconduttori basata sul silicio.
Infine, il carburo di silicio in lega dura viene utilizzato in una varietà di applicazioni elettroniche e non elettroniche, tra cui gioielli sintetici, semiconduttori ad alta temperatura, ceramiche dure, utensili da taglio, dischi freno, abrasivi, giubbotti antiproiettile ed elementi riscaldanti.
fonti:
Una breve storia di acciaio legato e produzione di ferrolega.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri e Seppo Louhenkilpi.
Sul ruolo delle ferroleghe nell'acciaieria. 9-13 giugno 2013. Il tredicesimo congresso internazionale delle ferroleghe. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
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