Un regard sur le silicium semi-métallique
Le métal de silicium est un métal semi-conducteur gris et lustré qui est utilisé pour fabriquer l'acier, les cellules solaires et les micropuces.
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre (derrière l'oxygène) et le huitième élément le plus commun de l'univers. En fait, près de 30% du poids de la croûte terrestre peut être attribué au silicium.
L'élément avec le numéro atomique 14 se trouve naturellement dans les minéraux de silicate, y compris la silice, le feldspath et le mica, qui sont des composants majeurs des roches communes telles que le quartz et le grès.
Un semi-métal (ou métalloïde ), le silicium possède certaines propriétés à la fois 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 lorsqu'il se solidifie. Il a des points de fusion et d'ébullition relativement élevés et lorsqu'il est cristallisé, il forme une structure cristalline cubique en diamant.
La structure atomique de l'élément, qui comprend quatre électrons de valence permettant au silicium de se lier facilement avec d'autres éléments, est critique pour le rôle du silicium en tant que semi-conducteur et son utilisation en électronique.
Propriétés:
- Symbole atomique: Si
- Numéro atomique: 14
- Catégorie de l'élément: Metalloid
- Densité: 2.329g / cm3
- Point de fusion: 1477 ° C (2577 ° F)
- Point d'ébullition: 3265 ° C (5909 ° F)
- La dureté de Moh: 7
Histoire:
Le chimiste suédois Jons Jacob Berzerlius est crédité de la première isolation de silicium en 1823. Berzerlius a accompli cela en chauffant le potassium métallique (qui avait été isolé seulement une décennie plus tôt) dans un creuset avec le fluorosilicate de potassium.
Le résultat était du silicium amorphe.
La fabrication de silicium cristallin nécessitait cependant plus de temps. Un échantillon électrolytique de silicium cristallin ne serait pas fabriqué pendant trois décennies supplémentaires.
La première utilisation commercialisée du silicium était sous la forme de ferrosilicium.
À la suite de la modernisation de l'industrie sidérurgique d'Henry Bessemer au milieu du XIXe siècle, la métallurgie de l' acier et la recherche sur les techniques sidérurgiques suscitèrent un vif intérêt.
Au moment de la première production industrielle de ferrosilicium dans les années 1880, l'importance du silicium dans l'amélioration de la ductilité de la fonte brute et de l'acier désoxydant était assez bien comprise.
La production précoce de ferrosilicium a été faite dans des hauts fourneaux en réduisant les minerais contenant du silicium avec du charbon de bois, ce qui a donné de la fonte argentée, un ferrosilicium ayant jusqu'à 20% de silicium.
Le développement des fours à arc électrique au début du 20ème siècle a permis non seulement une plus grande production d'acier , mais aussi plus de production de ferrosilicium.
En 1903, un groupe spécialisé dans la fabrication de la ferroalliage (Compagnie Generate d'Electrochimie) voit le jour en Allemagne, en France et en Autriche et, en 1907, la première usine de silicium commercial aux États-Unis est fondée.
La sidérurgie n'était pas la seule application pour les composés de silicium commercialisés avant la fin du 19ème siècle.
Pour produire des diamants artificiels en 1890, Edward Goodrich Acheson a chauffé du silicate d'aluminium avec du coke en poudre et du carbure de silicium produit accidentellement (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 produits abrasifs.
Au début du 20ème siècle, les propriétés conductrices du carbure de silicium ont également été réalisées, et le composé a été utilisé comme détecteur dans les radios des premiers navires. 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 de silicium a augmenté avec le développement de nouveaux produits chimiques, y compris 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 - précurseurs des micropuces modernes - dans les années 1940 reposait sur le germanium , il ne fallut pas longtemps avant que le silicium ne supplante son cousin métalloïde comme matériau semi-conducteur 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 ont été développés.
Étant donné que la technologie des semi-conducteurs à base de silicium constitue l'épine dorsale de l'électronique et de l'informatique modernes, il n'est pas surprenant que nous appelions «la Silicon Valley» le centre d'activité de cette industrie.
(Pour un aperçu détaillé de l'histoire et du développement de la technologie de la Silicon Valley et des micropuces, je recommande fortement le documentaire American Experience intitulé Silicon Valley).
Peu de temps après le dévoilement des premiers transistors, le travail de Bell Labs sur le silicium a conduit à une deuxième percée majeure en 1954: la première cellule photovoltaïque (solaire) en silicium.
Avant cela, la pensée d'exploiter l'énergie du soleil pour créer de la puissance sur terre était considérée comme impossible par la plupart. Mais quatre ans plus tard, en 1958, le premier satellite alimenté par des cellules solaires au silicium tournait autour de la Terre.
Dans les années 1970, les applications commerciales des technologies solaires étaient devenues des applications terrestres telles que l'éclairage des plates-formes pétrolières et des 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 majeure partie du silicium raffiné chaque année - environ 80% - est produite sous forme de ferrosilicium destiné à la fabrication du fer et de l' acier . Le ferrosilicium peut contenir entre 15 et 90% de silicium selon les besoins de la fonderie.
L' alliage de fer et de silicium est produit en utilisant un four à arc électrique submergé par fusion à réduction. Le minerai riche en silice et une source de carbone telle que le charbon à coke (charbon métallurgique) sont broyés et chargés dans le four avec de 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 fabriquer du ferrosilicium fondu, qui peut être collecté en tapotant 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 qui est pur à plus de 99%. Le silicium métallurgique est également utilisé dans la fusion de l'acier, ainsi que dans la fabrication d'alliages de fonte d'aluminium et de produits chimiques à base de silane.
Le silicium métallurgique est classé selon les niveaux d'impuretés du fer, de l' aluminium et du calcium présents dans l'alliage. Par exemple, le silicium-métal 553 contient moins de 0,5% de fer et d'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 comprennent Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Groupe OM Materials et Elkem.
Une quantité supplémentaire de 2,6 millions de tonnes métriques de silicium métallurgique - soit environ 20% du silicium métal raffiné total - est produite chaque année. La Chine, encore une fois, représente environ 80% de cette production.
Une surprise pour beaucoup est que les qualités solaires et électroniques de silicium représentent seulement une petite quantité (moins de deux pour cent) de toute la production de silicium raffiné.
Pour passer au silicium-métal de qualité solaire (polysilicium), la pureté doit augmenter à plus de 99,9999% (6N) de silicium pur. Cela se fait par l'une des trois méthodes, la plus courante étant le procédé Siemens.
Le procédé Siemens implique le dépôt chimique en phase vapeur d'un gaz volatil appelé trichlorosilane. À 1150 ° C (2102 ° F), le trichlorosilane est soufflé sur une graine de silicium de haute pureté montée à l'extrémité d'une tige. Au passage, du silicium de haute pureté provenant du gaz est déposé sur la graine.
Le réacteur à lit fluidisé (FBR) et la technologie de silicium métallurgique améliorée (UMG) sont également utilisés pour améliorer le métal au polysilicium adapté à l'industrie photovoltaïque.
230 000 tonnes métriques de polysilicium ont été produites en 2013. Les principaux producteurs comprennent GCL Poly, Wacker-Chemie et OCI.
Enfin, pour fabriquer du silicium de qualité électronique adapté à l'industrie des semi-conducteurs et à certaines technologies photovoltaïques, le polysilicium doit être converti en un silicium monocristallin ultra-pur via le procédé Czochralski.
Pour ce faire, le polysilicium est fondu dans un creuset à 1425 ° C (2597 ° F) sous atmosphère inerte. Un cristal germe monté sur tige est ensuite trempé dans le métal fondu et lentement tourné et retiré, donnant le temps pour le silicium de se développer sur le matériau de la graine.
Le produit résultant est une tige (ou boule) de silicium monocristallin pouvant atteindre 99,999999999 (11N) pur. Cette tige peut être dopée avec du bore ou du phosphore au besoin pour modifier les propriétés mécaniques quantiques selon les besoins.
La tige de monocristal 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 raffinées chaque année, la majeure partie du silicium utilisé commercialement se présente sous forme de minéraux de silicium, utilisés dans la fabrication de tout, du ciment, des mortiers et des céramiques. des 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 d' acier inoxydable . Aujourd'hui, la fusion de l'acier reste le plus gros consommateur de ferrosilicium.
Ferrosilicon a un certain nombre d'utilisations au-delà de la fabrication de l'acier, cependant. C'est un pré-alliage dans la production de ferrosilicium de magnésium , un nodulisateur utilisé pour produire du fer ductile, ainsi que pendant le processus de Pidgeon pour affiner le magnésium de haute pureté.
Le ferrosilicium peut également être utilisé pour fabriquer des alliages de silicium ferreux résistant à la chaleur et à la corrosion, ainsi que de l'acier au silicium, utilisé dans la fabrication d'électro-moteurs et de noyaux de transformateurs.
Le silicium métallurgique peut être utilisé dans la sidérurgie ainsi qu'un agent d'alliage dans la coulée d'aluminium. Les pièces de voiture en aluminium-silicium (Al-Si) sont légères et plus solides que les composants moulés à partir d'aluminium pur. Les pièces automobiles telles que les blocs-cylindres et les jantes de pneus sont parmi les pièces en aluminium moulé les plus courantes.
Près de la moitié de tout le silicium métallurgique est utilisé par l'industrie chimique pour fabriquer de la silice fumée (un épaississant et un dessicant), des silanes (un agent de couplage) et du silicone (produits d'étanchéité, 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.
Actuellement, la technologie solaire au silicium polycristallin représente plus de la moitié de l'énergie solaire produite dans le monde, tandis que la technologie du monosilicium contribue à hauteur de 35% environ. Au total, 90% de l'énergie solaire utilisée par les humains est collectée par la technologie à base de silicium.
Le silicium monocristallin est également un matériau semi-conducteur essentiel 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 appareils de communication modernes.
On estime que plus d'un tiers de tous les dispositifs électroniques contiennent une technologie de semi-conducteurs à base de silicium.
Enfin, le carbure de silicium en alliage dur est utilisé dans diverses applications électroniques et non électroniques, notamment les bijoux synthétiques, les semi-conducteurs haute température, les céramiques dures, les outils de coupe, les disques de frein, les abrasifs, les gilets pare-balles et les éléments chauffants.
Sources:
Une brève histoire de l'alliage d'acier et de la production de ferroalliage.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri et Seppo Louhenkilpi. Les
Sur le rôle des alliages ferreux dans la sidérurgie. Du 9 au 13 juin 2013. Treizième Congrès international des ferroalliages. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
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