αν δεν υπήρχε το λεπτό περίβλημα του νερού και με βάση τον άνθρακα ζωής καλύπτει αυτό, το σπίτι του πλανήτη μας θα ήταν ίσως να είναι καλύτερα γνωστός ως «Silicon Κόσμος .» περισσότερο από το ένα τέταρτο της μάζας του φλοιού της Γης είναι πυρίτιο, και μαζί με το οξυγόνο, τα πυριτικά ορυκτά σχηματίζουν περίπου το 90% του λεπτού κελύφους του βράχου που επιπλέει στο μανδύα της Γης. Το πυρίτιο είναι το θεμέλιο του κόσμου μας, και είναι κυριολεκτικά τόσο κοινή όσο βρωμιά.
Αλλά ακριβώς επειδή έχουμε πολλά από αυτά δεν σημαίνει ότι έχουμε ένα μεγάλο μέρος της στην καθαρή του μορφή. και είναι μόνο σε μορφή πιο αγνή της ότι το πυρίτιο γίνεται η ουσία που έφερε τον κόσμο μας στην εποχή της πληροφορίας. Στοιχειακού πυριτίου είναι πολύ σπάνια, όμως, και έτσι να πάρει σημαντικές ποσότητες του μεταλλοειδή που είναι καθαρή αρκετό για να είναι χρήσιμη απαιτεί κάποια αρκετά ενέργειας και εργασίες εξόρυξης και διύλισης έντασης πόρων. Οι ενέργειες αυτές χρησιμοποιούν κάποια αρκετά ενδιαφέρουσα χημεία και μερικά κόλπα, και όταν αναβαθμιστούν σε βιομηχανικά επίπεδα, θέτουν μοναδικές προκλήσεις που απαιτούν κάποια πολύ έξυπνη τεχνολογία για την αντιμετώπιση.
Σκληρό σαν βράχος
Η πρώτη ύλη για τα περισσότερα παραγωγή του πυριτίου είναι το ορυκτό χαλαζίτες. Χαλαζίτη προέρχεται από την αρχαία καταθέσεις της άμμου χαλαζία που σχηματίζεται ιζηματογενείς αποθέσεις. Πάροδο του χρόνου και με τη θερμότητα και την πίεση, αυτοί οι ψαμμίτες χαλαζία μετασχηματίστηκαν εντός του μεταμορφωμένα πετρώματα χαλαζίτες, η οποία είναι τουλάχιστον 80% κατ ‘όγκο χαλαζία.
Χαλαζίτης. Πηγή: Geology.com
Χαλαζίτη είναι ένα απίστευτα σκληρό ροκ, και όπου σπρώχνει πάνω από την επιφάνεια, σχηματίζει κορυφογραμμές που αντιστέκονται σθεναρά στις καιρικές συνθήκες. σημαντική σχηματισμοί της χαλαζίτη είναι διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο, αλλά υπάρχουν σχετικά λίγα μέρη όπου κάνει οικονομικό νόημα στο λατομείο της ροκ για την παραγωγή πυριτίου, δεδομένου ότι οι σχηματισμοί πρέπει να είναι εύκολα προσβάσιμη και σχετικά κοντά στο άλλο πρώτων υλών και της ενέργειας που απαιτείται .
Πρώτες quartzite είναι κυρίως διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), και η διαδικασία διύλισης αρχίζει με μια αντίδραση αναγωγής για να απαλλαγούμε από το οξυγόνο. Θρυμματισμένο quartzite αναμιγνύεται με άνθρακα με τη μορφή κωκ (άνθρακας που έχει θερμανθεί σε απουσία οξυγόνου). Τα ροκανίδια προστίθεται στο τέλος, καθώς και? χρησιμεύουν τόσο ως πηγή άνθρακα και ένα φυσικό παράγοντα διόγκωσης που επιτρέπει αέρια και θερμότητας να κυκλοφορεί καλύτερα στο φούρνο.
Οι κάμινοι τόξου για την τήξη του πυριτίου είναι τεράστιες εγκαταστάσεις με ουσιαστική ηλεκτρόδια άνθρακα. Τα ηλεκτρόδια που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της τήξης, έτσι νέα ηλεκτρόδια βιδώνονται πάνω από τις κορυφές των σημερινών ηλεκτρόδια για να βεβαιωθείτε ότι η διαδικασία δεν διακόπτεται. Ο κλίβανος τόξου απαιτεί τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας για να διατηρηθεί η θερμοκρασία 2.000 ° C που απαιτούνται, έτσι διυλιστήρια πυρίτιο συνήθως βρίσκονται όπου η ηλεκτρική ενέργεια είναι χαμηλού κόστους και άφθονα.
Οι αντιδράσεις αναγωγής μέσα στο τήγμα ζώνης είναι στην πραγματικότητα αρκετά περίπλοκη, αλλά μπορεί να συνοψιστεί με δύο κύριες αντιδράσεις:
Σε αμφότερες τις αντιδράσεις, το οξυγόνο στο διοξείδιο του πυριτίου ενώνεται με άνθρακα για να σχηματίσουν το κύριο προϊόν αποβλήτων, μονοξείδιο του άνθρακα. Μια αντίδραση πλευρά που λαμβάνει χώρα σε ένα μέρος του τήγματος ζώνης στο εσωτερικό του κλιβάνου παράγει καρβίδιο του πυριτίου (SiC), το οποίο είναι ένα ανεπιθύμητο παραπροϊόν (τουλάχιστον όταν ο στόχος είναι να καθαρίσει το πυρίτιο? Ίδια καρβιδίου του πυριτίου είναι ένα χρήσιμο βιομηχανική λειαντικά). Με τη διασφάλιση ότι το διοξείδιο του πυριτίου είναι κατά πολύ σε περίσσεια στον κλίβανο, η δεύτερη αντίδραση όπου ο SiC δρα ως πηγή άνθρακα για τη μείωση του διοξειδίου του πυριτίου ευνοείται, και το πυρίτιο με έως καθαρότητα 99% μπορεί να αξιοποιηθεί από το κάτω μέρος του κάμινος.
Το πυρίτιο που παράγεται με αυτή τη διαδικασία αναφέρεται ως μεταλλουργικό πυρίτιο. Για όλες σχεδόν τις βιομηχανικές χρήσεις, αυτή η υψηλής καθαρότητας πυρίτιο είναι αρκετά καλή. περίπου 70% των μεταλλουργικών πυρίτιο πηγαίνει στην κατασκευή κραμάτων μετάλλων όπως σιδηροπυριτίου, καθώς και αλουμίνιο-πυρίτιο, ένα κράμα ότι οι συμβάσεις ελάχιστα κατά την ψύξη και συνεπώς χρησιμοποιείται για να μπλοκ κινητήρων χυτό αλουμίνιο και παρόμοια αντικείμενα.
Περισσότερα Nines
Μονοσιλανίου είναι το ισοδύναμο του πυριτίου του μεθανίου. Σε τριχλωροσιλάνιο, τρία από τα υδρογόνα είναι υποκατεστημένα για χλώρια. Πηγή: WebElements
Όπως χρήσιμα ως μεταλλουργικό πυρίτιο είναι, ακόμη και σε 99% καθαρό δεν είναι καν κοντά στην καθαρότητα που απαιτείται για ημιαγωγών και φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Τα επόμενα βήματα στην καθαρισμού λαμβάνουν το πυρίτιο στο επίπεδο καθαρότητας που χρειάζεται για την κατασκευή ημιαγωγών. Ο καθαρισμός ξεκινά με την ανάμιξη κονιοποιημένου μεταλλουργικής πυριτίου με ζεστό, αέριο υδροχλωρικό οξύ. Αυτή η αντίδραση παράγει σιλάνια, οι οποίες είναι ενώσεις με ένα κεντρικό άτομο πυριτίου που περιβάλλεται από τέσσερα συνημμένα, σε αυτή την περίπτωση τρία άτομα χλωρίου και ένα υδρογόνο. Αυτό τριχλωροσιλάνιο είναι ένα αέριο στη θερμοκρασία στο εσωτερικό του θαλάμου αντιδράσεως, η οποία καθιστά ευκολότερο να χειριστεί και καθαρίζομε με κλασματική απόσταξη.
Όταν το αέριο τριχλωροσιλάνιο έχει επαρκώς καθαριστεί, πολυκρυσταλλικό πυρίτιο παραγωγής μπορεί να αρχίσει. Η διαδικασία Siemens είναι η κύρια μέθοδος εδώ, και είναι μια μορφή χημική εναπόθεση ατμού. Ένα μεγάλο σχήμα καμπάνας θάλαμος αντίδρασης περιέχει αρκετές λεπτές ουδιαβάζει από υψηλής καθαρότητας πυριτίου, τα οποία θερμαίνονται έως 1.150 ° C με πέρασμα ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτά. Ένα μείγμα αέριου τριχλωροσιλάνιο και υδρογόνου ρέει εντός του θαλάμου? το αέριο αποσυντίθεται επί της θερμής ηλεκτρόδιο αφήνοντας πίσω του πυριτίου, το οποίο συσσωρεύεται σε ράβδους που είναι περίπου 15 cm σε διάμετρο. Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο παρασκευάζεται με τη μέθοδο της Siemens μπορεί να έχει μια καθαρότητα 99,99999% ( «επτά nines», ή 7Ν) ή περισσότερο. 7N έως 10Ν πολυπυριτίου χρησιμοποιείται κυρίως για φωτοβολταϊκά κύτταρα, αν και μερικοί πολυπυριτίου σε αυτό το εύρος καθαρότητα καθιστά επίσης υπόψη MOSFET και CMOS ημιαγωγούς.
ράβδοι πολυπυριτίου από ένα θάλαμο επεξεργασίας της Siemens. Πηγή: Silicon ομάδα προϊόντων GmbH
Ενώ η διαδικασία της Siemens είναι η κινητήριος δύναμη πολυπυριτίου, έχει τα μειονεκτήματά του. Το κύριο πρόβλημα είναι ότι είναι μια ενέργεια γουρούνι – τη διατήρηση των αυξανόμενων ράβδους πολυκρυσταλλικού αρκετά θερμό για να αποσυντεθεί η πρώτη ύλη απαιτεί πολλή ηλεκτρική ενέργεια. Για εργασίες γύρω από αυτό το πρόβλημα, μια διαδικασία (FBR) αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης χρησιμοποιείται μερικές φορές. αντιδραστήρας Μια FBR διαμορφώνεται όπως ένα ψηλό πύργο, τα τοιχώματα του οποίου επενδύεται με ένα σωλήνα χαλαζία. Αερίου σιλανίου, είτε το γνωστό τριχλωροσιλάνιο ή μονοσιλανίου, το οποίο είναι απλά ένα άτομο πυριτίου που περιβάλλεται από τέσσερα υδρογόνα, εγχύεται μέσα στον θάλαμο. Κονιοποιημένο πυρίτιο ρίπτεται εντός του θαλάμου αντιδράσεως από την κορυφή, ενώ θερμαινόμενο αέριο υδρογόνο εγχύεται εντός του πυθμένα του θαλάμου μέσω μιας σειράς ακροφυσίων. Η ροή αερίου κρατά το θερμό σκόνη πυριτίου ρευστοποιημένη, επιτρέποντάς της να αναμιχθεί με το σιλάνιο αερίου και αποσυντίθενται αυτό. Όπως και στην διαδικασία της Siemens, το πυρίτιο συσσωρεύεται πάνω στα σωματίδια σπόρου, η οποία τελικά πάρει πάρα πολύ μεγάλο για την ρευστοποιημένη κλίνη για την υποστήριξη. Τα σφαιρίδια πολυκρυσταλλικού πυριτίου πέσει στον πυθμένα του θαλάμου, όπου μπορούν να συλλεχθούν.
Εκτός από την εξοικονόμηση ισχύος – έως και 90% λιγότερο όταν χρησιμοποιούν μονοσιλανίου ως πρώτη ύλη – κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου FBR είναι ότι είναι μια συνεχής διαδικασία, δεδομένου ότι τα τελικά σφαιρίδια μπορούν απλά να αντληθεί έξω από το θάλαμο. Η διαδικασία Siemens είναι περισσότερο από μια διαδικασία κατά παρτίδες, δεδομένου ότι ο θάλαμος του αντιδραστήρα πρέπει να ανοίξει για να απομακρυνθούν οι ράβδοι πολυπυριτίου όταν τελειώσει. Τούτου λεχθέντος, FBR πολυπυριτίου δεν έχει πραγματικά απογειωθεί, εν μέρει επειδή η διαχείριση των ρευστών δυναμική στο εσωτερικό του θαλάμου αντίδρασης μπορεί να είναι δύσκολη. αλλά ο κύριος λόγος είναι ότι η διαδικασία της Siemens είναι τόσο εύκολο, και εφ ‘όσον τα εργοστάσια μπορούν να βρίσκονται κοντά σε μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλού κόστους, είναι απλά πιο εύκολο να χρησιμοποιούν τη μέθοδο brute-force.
παραγωγής πολυπυριτίου με τη διεργασία της Siemens και αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης. Πηγή: Bernreuter Έρευνας
Ένα κρύσταλλο μόνο, παρακαλώ
Χρησιμοποιώντας είτε από αυτές τις μεθόδους, πολυκρυσταλλικό πυρίτιο μπορεί να ασκηθεί σε εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας, μέχρι 11Ν. αλλά καθαρότητα δεν είναι το μόνο μετρικό για το πυρίτιο? μερικές φορές, η φύση της κρυσταλλικής δομής στο τελικό προϊόν είναι εξίσου σημαντική με καθαρότητα. Το επόμενο βήμα στην παραγωγή πυριτίου είναι η δημιουργία μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, όπου ολόκληρη η χελώνα πυριτίου είναι μια απλού κρυστάλλου.
Μεγαλώνοντας ένα ενιαίο κρύσταλλο της εξαιρετικά καθαρού πυριτίου σε ένα μέγεθος που είναι βιομηχανικά χρήσιμο δεν είναι μικρό επίτευγμα, και βασίζεται σε κάποια κόλπα που ανακαλύφθηκε το 1916 από την πολωνική χημικός Jan Czochralski. Έχουμε καλύψει τη μέθοδο Czochralski σε βάθος πριν, αλλά για λίγο, πολυκρυσταλλικού πυριτίου τήκεται σε ένα χωνευτήρι από χαλαζία σε μια ατμόσφαιρα αδρανούς. Μία ράβδος εξολκέα που φέρουν ένα μόνο υπερ-καθαρό κρύσταλλο πυριτίου που είναι πολύ επακριβώς προσανατολισμένο χαμηλώνεται μέσα στο τηγμένο πυρίτιο. Ο κρύσταλλος σπόρος προκαλεί πυριτίου να συμπυκνώσει, συνεχίζοντας την κρυσταλλική δομή όπως η ράβδος εξολκέα αργά αποσύρεται από τον κλίβανο ενώ περιστρέφεται. Single-κρύσταλλο πλινθώματα έως 450 mm σε διάμετρο είναι δυνατό με τη μέθοδο Czochralski.
Μια άλλη μέθοδος για την παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι η μέθοδος ζώνη επίπλευσης, η οποία χρησιμοποιεί μία ράβδο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο ως το υλικό έναρξης. μέσα σε ένα θάλαμο αντίδρασης με μια ατμόσφαιρα αερίου αδρανούς, ένα σήμα ραδιοσυχνότητας διέρχεται μέσω ενός πηνίου που περιβάλλει τη ράβδο. Το σήμα RF θερμαίνει το πολυπυριτίου, δημιουργώντας μια περιορισμένη τήγματος ζώνη. Οι απλοί κρύσταλλοι της υπερ-καθαρού πυριτίου προστίθεται στο τήγμα ζώνη, η οποία προκαλεί το τετηγμένο πυρίτιο για να κρυσταλλωθεί γύρω από αυτό. Το πηνίο RF αργά μετακινηθεί προς τα επάνω τη ράβδο, μετακινώντας τη ζώνη της θέρμανσης έως ότου ολόκληρη η ράβδος είναι ένα ενιαίο κρύσταλλο πυριτίου. Float-ζώνη μονοκρυσταλλικό πυρίτιο έχει το πλεονέκτημα ποτέ να είναι σε επαφή με τα τοιχώματα χαλαζία της μεθόδου χωνευτηρίου Czochralski, και έτσι θα έχουν μικρότερη μόλυνση από οξυγόνο και άλλες ακαθαρσίες.