Le silicium métallique est un métal semi-conducteur gris et brillant utilisé pour fabriquer de l'acier, des cellules solaires et des micropuces. Le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (derrière seulement l'oxygène) et le huitième élément le plus commun dans l'univers. Près de 30% du poids de la croûte terrestre peut être attribué au silicium.
L'élément portant le numéro atomique 14 se trouve naturellement dans les minéraux silicatés, y compris la silice, le feldspath et le mica, qui sont les principaux composants des roches communes telles que le quartz et le grès. Un semi-métal (ou métalloïde), le silicium possède certaines propriétés des métaux et des non-métaux.
Comme l'eau - mais contrairement à la plupart des métaux - le silicium se contracte à l'état liquide et se dilate à mesure qu'il se solidifie. Il a des points de fusion et d'ébullition relativement élevés et, une fois cristallisé, il forme une structure cristalline cubique de diamant. L'élément atomique de l'élément est essentiel au rôle du silicium en tant que semi-conducteur et à son utilisation en électronique. structure, qui comprend quatre électrons de valence qui permettent au silicium de se lier à d'autres éléments facilement.
Propriétés
- Symbole atomique: Si
- Numéro atomique: 14
- Catégorie d'élément: métalloïde
- Densité: 2,329 g / cm3
- Point de fusion: 2577 ° F (1414 ° C)
- Point d'ébullition: 5909 ° F (3265 ° C)
- Dureté de Moh: 7
Histoire
Le chimiste suédois Jons Jacob Berzerlius est crédité du premier isolement de silicium en 1823. Berzerlius a accompli cela en chauffant du potassium métallique (qui n'avait été isolé qu'une décennie plus tôt) dans un creuset avec du fluorosilicate de potassium. Le résultat était du silicium amorphe.
La fabrication de silicium cristallin, cependant, a nécessité plus de temps. Un échantillon électrolytique de silicium cristallin ne serait pas fabriqué avant trois décennies. La première utilisation commercialisée du silicium a été sous forme de ferrosilicium.
Suivre Henry Bessemer modernisation de l'industrie sidérurgique au milieu du 19e siècle, il y avait un grand intérêt pour acier métallurgie et recherche en techniques sidérurgiques. Au moment de la première production industrielle de ferrosilicium dans les années 1880, l'importance du silicium dans l'amélioration ductilité chez le porc le fer et l'acier désoxydant était assez bien compris.
La première production de ferrosilicium a été réalisée dans les hauts fourneaux en réduisant les minerais contenant du silicium avec du charbon de bois, ce qui a donné de la fonte argentée, un ferrosilicium contenant jusqu'à 20% de silicium.
Le développement des fours à arc électrique au début du XXe siècle a permis non seulement une plus grande production d'acier, mais aussi une plus grande production de ferrosilicium. En 1903, un groupe spécialisé dans la fabrication du ferroalliage (Compagnie Generate d'Electrochimie) a commencé en Allemagne, en France et en Autriche et, en 1907, la première usine commerciale de silicium aux États-Unis fondé.
La sidérurgie n'était pas la seule application des composés du silicium commercialisée avant la fin du XIXe siècle. Pour produire des diamants artificiels en 1890, Edward Goodrich Acheson chauffa du silicate d'aluminium avec du coke en poudre et produisit accessoirement du carbure de silicium (SiC).
Trois ans plus tard, Acheson avait breveté sa méthode de production et fondé Carborundum Company (carborundum étant le nom commun du carbure de silicium à l'époque) dans le but de fabriquer et de vendre des abrasifs des produits.
Au début du XXe siècle, les propriétés conductrices du carbure de silicium avaient également été réalisées et le composé était utilisé comme détecteur dans les premières radios de navire. Un brevet pour les détecteurs à cristaux de silicium a été accordé à GW Pickard en 1906.
En 1907, la première diode électroluminescente (LED) a été créée en appliquant une tension à un cristal de carbure de silicium. Au cours des années 1930, l'utilisation du silicium a augmenté avec le développement de nouveaux produits chimiques, notamment les silanes et les silicones. La croissance de l'électronique au cours du siècle dernier a également été inextricablement liée au silicium et à ses propriétés uniques.
Alors que la création des premiers transistors - les précurseurs des micropuces modernes - dans les années 40 germanium, il ne fallut pas longtemps avant que le silicium ne supplante son cousin métalloïde en tant que matériau semi-conducteur de substrat plus durable. Bell Labs et Texas Instruments ont commencé à produire commercialement des transistors à base de silicium en 1954.
Les premiers circuits intégrés au silicium ont été fabriqués dans les années 1960 et, dans les années 1970, des processeurs contenant du silicium avaient été développés. Étant donné que la technologie des semi-conducteurs à base de silicium constitue l'épine dorsale de l'électronique moderne et informatique, il ne faut pas s'étonner que nous appelions le centre d'activité de cette industrie «Silicon Vallée.'
(Pour un aperçu détaillé de l'histoire et du développement de la Silicon Valley et de la technologie des micropuces, je recommande fortement le documentaire American Experience intitulé Silicon Valley). Peu de temps après avoir dévoilé les premiers transistors, le travail des Bell Labs avec le silicium a conduit à une deuxième percée majeure en 1954: la première cellule photovoltaïque (solaire) au silicium.
Avant cela, la plupart pensaient impossible d'exploiter l'énergie du soleil pour créer de l'énergie sur terre. Mais à peine quatre ans plus tard, en 1958, le premier satellite alimenté par des cellules solaires au silicium était en orbite autour de la Terre.
Dans les années 1970, les applications commerciales des technologies solaires étaient devenues des applications terrestres telles que l'alimentation de l'éclairage sur les plates-formes pétrolières offshore et les passages à niveau. Au cours des deux dernières décennies, l'utilisation de l'énergie solaire a connu une croissance exponentielle. Aujourd'hui, les technologies photovoltaïques à base de silicium représentent environ 90% du marché mondial de l'énergie solaire.
Production
La majorité du silicium raffiné chaque année - environ 80 pour cent - est produit sous forme de ferrosilicium pour une utilisation dans le fer et fabrication d'acier. Le ferrosilicium peut contenir entre 15 et 90 pour cent de silicium selon les exigences de la fonderie.
le alliage de fer et de silicium est produite à l'aide d'un four à arc électrique immergé par fusion de réduction. Le minerai riche en silice et une source de carbone comme le charbon à coke (charbon métallurgique) sont broyés et chargés dans le four avec la ferraille.
À des températures supérieures à 1900°C (3450°F), le carbone réagit avec l'oxygène présent dans le minerai, formant du monoxyde de carbone gazeux. Le fer et le silicium restants, quant à eux, se combinent ensuite pour former du ferrosilicium fondu, qui peut être collecté en tapant sur la base du four. Une fois refroidi et durci, le ferrosilicium peut ensuite être expédié et utilisé directement dans la fabrication de fer et d'acier.
La même méthode, sans inclusion de fer, est utilisée pour produire du silicium de qualité métallurgique pur à plus de 99%. Le silicium métallurgique est également utilisé dans la fusion de l'acier, ainsi que dans la fabrication d'alliages d'aluminium coulés et de produits chimiques à base de silane.
Le silicium métallurgique est classé selon les niveaux d'impuretés du fer, aluminiumet le calcium présent dans l'alliage. Par exemple, 553 le silicium métal contient moins de 0,5% de chaque fer et aluminium et moins de 0,3% de calcium.
Environ 8 millions de tonnes métriques de ferrosilicium sont produites chaque année dans le monde, la Chine représentant environ 70% de ce total. Les grands producteurs incluent Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials et Elkem.
2,6 millions de tonnes métriques supplémentaires de silicium métallurgique - soit environ 20% du silicium métallique raffiné total - sont produites chaque année. La Chine, encore une fois, représente environ 80 pour cent de cette production. Une surprise pour beaucoup est que les qualités solaires et électroniques de silicium ne représentent qu'une petite quantité (moins de deux pour cent) de toute la production de silicium raffiné. Pour passer au silicium métallique de qualité solaire (polysilicium), la pureté doit augmenter jusqu'à plus de 99,9999% (6N) de silicium pur. Cela se fait via l'une des trois méthodes, la plus courante étant le processus Siemens.
Le procédé Siemens implique le dépôt chimique en phase vapeur d'un gaz volatil appelé trichlorosilane. À 1150°C (2102°F) du trichlorosilane est soufflé sur une graine de silicium de haute pureté montée à l'extrémité d'une tige. À mesure qu'il passe, du silicium de haute pureté du gaz est déposé sur la graine.
Un réacteur à lit fluidisé (FBR) et une technologie améliorée de silicium de qualité métallurgique (UMG) sont également utilisés pour améliorer le métal en polysilicium adapté à l'industrie photovoltaïque. Deux cent trente mille tonnes métriques de polysilicium ont été produites en 2013. Les principaux producteurs sont GCL Poly, Wacker-Chemie et OCI.
Enfin, pour rendre le silicium de qualité électronique adapté à l'industrie des semi-conducteurs et à technologies photovoltaïques, le polysilicium doit être converti en silicium monocristallin ultra-pur via le Processus Czochralski. Pour ce faire, le polysilicium est fondu dans un creuset à 14 h 25°C (2597°F) en atmosphère inerte. Un cristal de semence monté sur tige est ensuite plongé dans le métal fondu et lentement tourné et retiré, ce qui donne le temps au silicium de se développer sur le matériau de semence.
Le produit résultant est une tige (ou boule) de silicium métallique monocristallin qui peut être aussi pure que 99,999999999 (11N). Cette tige peut être dopée avec du bore ou du phosphore selon les besoins pour ajuster les propriétés mécaniques quantiques selon les besoins. La tige monocristalline peut être expédiée aux clients telle quelle, ou découpée en tranches et polie ou texturée pour des utilisateurs spécifiques.
Applications
Alors qu'environ dix millions de tonnes métriques de ferrosilicium et de silicium métal sont raffinés chaque année, la majorité du silicium utilisé commercialement est en fait sous la forme de minéraux de silicium, qui sont utilisés dans la fabrication de tout, du ciment, des mortiers et des céramiques, au verre et les polymères.
Le ferrosilicium, comme indiqué, est la forme de silicium métallique la plus couramment utilisée. Depuis sa première utilisation il y a environ 150 ans, le ferrosilicium est resté un agent désoxydant important dans la production de carbone et acier inoxydable. Aujourd'hui, la fusion de l'acier reste le plus grand consommateur de ferrosilicium.
Le ferrosilicium a cependant un certain nombre d'utilisations au-delà de la fabrication de l'acier. C'est un pré-alliage dans la production de magnésium le ferrosilicium, un noduliseur utilisé pour produire de la fonte ductile, ainsi que pendant le procédé Pidgeon pour raffiner du magnésium de haute pureté. Le ferrosilicium peut également être utilisé pour produire de la chaleur et corrosion alliages de silicium ferreux résistants ainsi que l'acier au silicium, qui est utilisé dans la fabrication d'électromoteurs et de noyaux de transformateur.
Le silicium métallurgique peut être utilisé dans la fabrication de l'acier ainsi qu'un agent d'alliage dans la coulée d'aluminium. Les pièces automobiles en aluminium-silicium (Al-Si) sont légères et plus résistantes que les composants en aluminium pur. Les pièces automobiles telles que les blocs moteurs et les jantes de pneus font partie des pièces en aluminium-silicium les plus couramment moulées.
Près de la moitié du silicium métallurgique est utilisé par l'industrie chimique pour fabriquer de la silice fumée (un épaississant et déshydratant), les silanes (un agent de couplage) et le silicone (mastics, adhésifs et lubrifiants). Le polysilicium de qualité photovoltaïque est principalement utilisé dans la fabrication de cellules solaires en polysilicium. Environ cinq tonnes de polysilicium sont nécessaires pour fabriquer un mégawatt de modules solaires.
À l'heure actuelle, la technologie solaire au silicium polycristallin représente plus de la moitié de l'énergie solaire produite dans le monde, tandis que la technologie au silicium polycristallin représente environ 35%. Au total, 90% de l'énergie solaire utilisée par l'homme est collectée par la technologie à base de silicium.
Le silicium monocristallin est également un matériau semi-conducteur essentiel que l'on trouve dans l'électronique moderne. En tant que matériau de substrat utilisé dans la production de transistors à effet de champ (FET), de LED et de circuits intégrés, le silicium peut être trouvé dans pratiquement tous les ordinateurs, téléphones mobiles, tablettes, téléviseurs, radios et autres moyens de communication modernes dispositifs. On estime que plus du tiers de tous les appareils électroniques contiennent une technologie semi-conductrice à base de silicium.
Enfin, le carbure de silicium en alliage dur est utilisé dans une variété d'applications électroniques et non électroniques, y compris synthétique bijoux, semi-conducteurs à haute température, céramique dure, outils de coupe, disques de frein, abrasifs, gilets pare-balles et chauffage éléments.
Sources:
Une brève histoire de la production d'alliages d'acier et de ferroalliages.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri et Seppo Louhenkilpi.
Sur le rôle des ferro-alliages dans la fabrication de l'acier. 9-13 juin 2013. Le treizième Congrès international des ferro-alliages. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf