सिलिकॉन धातु के गुण और उपयोग

सिलिकॉन धातु एक ग्रे और चमकदार अर्ध-प्रवाहकीय धातु है जिसका उपयोग स्टील, सौर कोशिकाओं और माइक्रोचिप्स के निर्माण के लिए किया जाता है। सिलिकॉन पृथ्वी की पपड़ी में दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है (केवल ऑक्सीजन के पीछे) और ब्रह्मांड में आठवां सबसे आम तत्व है। पृथ्वी की पपड़ी के वजन का लगभग 30 प्रतिशत सिलिकॉन के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।

परमाणु संख्या 14 के साथ तत्व सिलिका, फेल्डस्पार, और अभ्रक सहित सिलिकेट खनिजों में स्वाभाविक रूप से होता है, जो कि क्वार्ट्ज और बलुआ पत्थर जैसी सामान्य चट्टानों के प्रमुख घटक हैं। एक अर्द्ध धातु (या धातु के रूप-रंग का एक अधातु पदार्थ), सिलिकॉन में धातु और अधातु दोनों के कुछ गुण होते हैं।

पानी की तरह - लेकिन अधिकांश धातुओं के विपरीत - सिलिकॉन अपनी तरल अवस्था में सिकुड़ जाता है और जम जाता है। इसमें अपेक्षाकृत उच्च गलनांक और क्वथनांक होते हैं, और जब क्रिस्टलीकृत एक हीरे का घन क्रिस्टल संरचना बनाते हैं। सेमीकंडक्टर के रूप में सिलिकॉन की भूमिका के लिए महत्वपूर्ण और इलेक्ट्रॉनिक्स में इसका उपयोग तत्व का परमाणु है संरचना, जिसमें चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन शामिल हैं जो सिलिकॉन को अन्य तत्वों के साथ बंधन करने की अनुमति देते हैं आसानी से।

• परमाणु प्रतीक: सी
• परमाणु संख्या: १४
• तत्व श्रेणी: मेटलॉइड
• घनत्व: 2.329 जी / सेमी 3
• गलनांक: 2577 ° F (1414 ° C)
• क्वथनांक: 5909 ° F (3265 ° C)
• मोह की कठोरता: 7

स्वीडिश केमिस्ट जोंस जैकब बेरज़ेरियस को 1823 में पहले पृथक सिलिकॉन का श्रेय दिया जाता है। बर्जरियस ने पोटेशियम फ्लोरोसिलिकेट के साथ एक क्रूसिबल में धातु पोटेशियम (जो केवल एक दशक पहले अलग हो गया था) को गर्म करके इसे पूरा किया। परिणाम अनाकार सिलिकॉन था।

क्रिस्टलीय सिलिकॉन बनाना, हालांकि, अधिक समय की आवश्यकता है। क्रिस्टलीय सिलिकॉन का इलेक्ट्रोलाइटिक नमूना एक और तीन दशकों के लिए नहीं बनाया जाएगा। सिलिकॉन का पहला व्यावसायिक उपयोग फेरोसिलिकॉन के रूप में था।

हेनरी बेसेमर के बाद स्टीलमेकिंग उद्योग का आधुनिकीकरण 19 वीं शताब्दी के मध्य में, इसमें बहुत रुचि थी इस्पात धातु विज्ञान और इस्पात निर्माण तकनीक में अनुसंधान। 1880 के दशक में फेरोसिलिकॉन के पहले औद्योगिक उत्पादन के समय तक, सुधार में सिलिकॉन का महत्व लचीलापन सुअर में लोहा और डीऑक्सीडाइजिंग स्टील काफी अच्छी तरह से समझा गया था।

फेरोसिलिकॉन का शुरुआती उत्पादन चारकोल के साथ सिलिकॉन युक्त अयस्कों को कम करके ब्लास्ट फर्नेस में किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप सिल्वर पिग आयरन, 20 प्रतिशत सिलिकॉन सामग्री के साथ एक फेरोसिलिकॉन था।

20 वीं शताब्दी की शुरुआत में इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस के विकास ने न केवल अधिक इस्पात उत्पादन की अनुमति दी, बल्कि अधिक फेरोसिलिकॉन उत्पादन भी किया। 1903 में, फेरलॉइल (Compagnie Generate d'Electrochimie) बनाने में विशेषज्ञता वाला एक समूह शुरू हुआ जर्मनी, फ्रांस और ऑस्ट्रिया में और 1907 में, अमेरिका में पहला वाणिज्यिक सिलिकॉन संयंत्र था की स्थापना की।

19 वीं शताब्दी के अंत से पहले व्यावसायीकरण वाले सिलिकॉन यौगिकों के लिए स्टीलमेकिंग एकमात्र आवेदन नहीं था। 1890 में कृत्रिम हीरे का उत्पादन करने के लिए, एडवर्ड गुडरिच एचेसन ने एल्यूमीनियम सिलिकेट को पाउडर कोक के साथ गर्म किया और संयोग से सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) का उत्पादन किया।

तीन साल बाद एचेसन ने अपनी उत्पादन विधि का पेटेंट कराया और कार्बोरंडम कंपनी (कार्बोरंडम) की स्थापना की अपघर्षक बनाने और बेचने के उद्देश्य से सिलिकॉन कार्बाइड का सामान्य नाम है) उत्पादों।

20 वीं शताब्दी की शुरुआत तक, सिलिकॉन कार्बाइड के प्रवाहकीय गुणों का भी एहसास हो गया था, और यौगिक का उपयोग शुरुआती जहाज रेडियो में डिटेक्टर के रूप में किया गया था। 1906 में GW पिकार्ड को सिलिकॉन क्रिस्टल डिटेक्टरों के लिए एक पेटेंट दिया गया था।

1907 में, सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल में वोल्टेज लागू करके पहला प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) बनाया गया था। 1930 के दशक के दौरान सिलिकन और सिलिकन सहित नए रासायनिक उत्पादों के विकास के साथ सिलिकॉन का उपयोग बढ़ा। पिछली सदी में इलेक्ट्रॉनिक्स की वृद्धि भी सिलिकॉन और इसके अद्वितीय गुणों से अटूट रूप से जुड़ी हुई है।

जबकि 1940 के दशक में पहले ट्रांजिस्टर - आधुनिक माइक्रोचिप्स के अग्रदूतों का निर्माण निर्भर था जर्मेनियम, यह सिलिकॉन से अधिक टिकाऊ सब्सट्रेट अर्धचालक सामग्री के रूप में अपने मेटलॉइड चचेरे भाई को दबाने से पहले लंबे समय तक नहीं था। बेल लैब्स और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स ने 1954 में सिलिकॉन आधारित ट्रांजिस्टर का व्यावसायिक उत्पादन शुरू किया।

पहला सिलिकॉन एकीकृत सर्किट 1960 के दशक में बनाया गया था और 1970 के दशक तक, सिलिकॉन युक्त प्रोसेसर विकसित किए गए थे। यह देखते हुए कि सिलिकॉन आधारित अर्धचालक प्रौद्योगिकी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की रीढ़ है और कंप्यूटिंग, यह कोई आश्चर्य नहीं होना चाहिए कि हम इस उद्योग के लिए गतिविधि के हब को 'सिलिकॉन' के रूप में संदर्भित करते हैं घाटी। '

(सिलिकॉन वैली और माइक्रोचिप प्रौद्योगिकी के इतिहास और विकास पर एक विस्तृत नज़र के लिए, मैं सिलिकॉन वैली नामक अमेरिकी अनुभव वृत्तचित्र की अत्यधिक अनुशंसा करता हूं)। पहले ट्रांजिस्टर का अनावरण करने के लंबे समय बाद, सिलिकॉन के साथ बेल लैब्स के काम ने 1954 में दूसरी बड़ी सफलता हासिल की: पहला सिलिकॉन फोटोवोल्टिक (सौर) सेल।

इससे पहले, पृथ्वी पर शक्ति बनाने के लिए सूर्य से ऊर्जा प्राप्त करने का विचार सबसे अधिक असंभव माना जाता था। लेकिन सिर्फ चार साल बाद, 1958 में, सिलिकॉन सौर कोशिकाओं द्वारा संचालित पहला उपग्रह पृथ्वी की परिक्रमा कर रहा था।

1970 के दशक तक, सौर प्रौद्योगिकियों के लिए वाणिज्यिक अनुप्रयोग स्थलीय अनुप्रयोगों जैसे अपतटीय तेल-रिग्स और रेलमार्ग क्रॉसिंग पर बिजली की रोशनी तक बढ़ गए थे। पिछले दो दशकों में, सौर ऊर्जा का उपयोग तेजी से बढ़ा है। आज, वैश्विक सौर ऊर्जा बाजार में सिलिकॉन आधारित फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकियों का लगभग 90 प्रतिशत हिस्सा है।

प्रत्येक वर्ष परिष्कृत होने वाले अधिकांश सिलिकॉन - लगभग 80 प्रतिशत - लौह में उपयोग के लिए फेरोसिलिकॉन के रूप में उत्पादित किया जाता है और इस्पात निर्माण. फ़र्रोसिलिकॉन स्मेल्टर की आवश्यकताओं के आधार पर 15 से 90 प्रतिशत सिलिकॉन के बीच कहीं भी हो सकता है।

मिश्र धातु लोहे और सिलिकॉन का उत्पादन घटते हुए विद्युत चाप भट्टी के उपयोग से घटता है। सिलिका-समृद्ध अयस्क और एक कार्बन स्रोत जैसे कोकिंग कोल (धातुकर्म कोयला) को कुचल दिया जाता है और स्क्रैप आयरन के साथ भट्ठी में लोड किया जाता है।

1900 से अधिक तापमान पर°C (3450)°एफ), कार्बन अयस्क में मौजूद ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे कार्बन मोनोऑक्साइड गैस बनती है। शेष लोहा और सिलिकॉन, इस बीच, फिर पिघला हुआ फेरोसिलिकॉन बनाने के लिए गठबंधन करें, जिसे भट्ठी के आधार को टैप करके एकत्र किया जा सकता है। एक बार ठंडा और कठोर होने के बाद, फेरोसिलिकॉन को सीधे लोहे और इस्पात निर्माण में भेजा और उपयोग किया जा सकता है।

लोहे को शामिल किए बिना, वही विधि, धातुकर्म ग्रेड सिलिकॉन का उत्पादन करने के लिए उपयोग की जाती है जो 99 प्रतिशत से अधिक शुद्ध होती है। धातु के सिलिकॉन का उपयोग स्टील गलाने में भी किया जाता है, साथ ही एल्यूमीनियम कास्ट मिश्र और सिलने रसायनों का निर्माण भी किया जाता है।

धातुकर्म सिलिकॉन को लोहे के अशुद्धता स्तर द्वारा वर्गीकृत किया जाता है, अल्युमीनियम, और मिश्र धातु में मौजूद कैल्शियम। उदाहरण के लिए, 553 सिलिकॉन धातु में प्रत्येक लोहा और एल्यूमीनियम का 0.5 प्रतिशत और 0.3 प्रतिशत से कम कैल्शियम होता है।

लगभग 8 मिलियन मीट्रिक टन फेरोसिलिकॉन हर साल विश्व स्तर पर उत्पादित किया जाता है, जिसमें चीन कुल मिलाकर लगभग 70 प्रतिशत है। बड़े उत्पादकों में एर्दोस धातुकर्म समूह, निंग्ज़िया रोंगशेंग फेरोलॉयल, समूह ओएम सामग्री और एल्केम शामिल हैं।

एक अतिरिक्त 2.6 मिलियन मीट्रिक टन मेटलर्जिकल सिलिकॉन - या कुल परिष्कृत सिलिकॉन धातु का लगभग 20 प्रतिशत - सालाना उत्पादित किया जाता है। चीन, फिर से इस उत्पादन का लगभग 80 प्रतिशत हिस्सा है। कई लोगों के लिए आश्चर्य की बात यह है कि सभी परिष्कृत सिलिकॉन उत्पादन की एक छोटी राशि (दो प्रतिशत से कम) के लिए सिलिकॉन और सौर के इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड। सौर-ग्रेड सिलिकॉन धातु (पॉलीसिलिकॉन) में अपग्रेड करने के लिए, शुद्धता 99.9999% (6N) शुद्ध सिलिकॉन से ऊपर तक बढ़नी चाहिए। यह तीन तरीकों में से एक के माध्यम से किया जाता है, सबसे आम सीमेंस प्रक्रिया है।

सीमेंस प्रक्रिया में ट्राइक्लोरोसिलीन नामक एक वाष्पशील गैस का रासायनिक वाष्प जमाव शामिल है। 1150 पर°C (2102)°एफ) ट्राइक्लोरोसिलेन को एक उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन बीज को एक छड़ के अंत में रखा जाता है। जैसे-जैसे यह गुजरता है, गैस से उच्च शुद्धता वाला सिलिकॉन बीज पर जमा होता है।

फोटोवोल्टिक उद्योग के लिए उपयुक्त धातु को पॉलीसिलिकॉन में बढ़ाने के लिए द्रव बेड रिएक्टर (एफबीआर) और अपग्रेडेड मेटलर्जिकल ग्रेड (यूएमजी) सिलिकॉन तकनीक का भी उपयोग किया जाता है। 2013 में दो सौ तीस हजार मीट्रिक टन पॉलीसिलिकॉन का उत्पादन किया गया था। प्रमुख उत्पादकों में GCL Poly, Wacker-Chemie और OCI शामिल हैं।

अंत में, इलेक्ट्रॉनिक्स ग्रेड सिलिकॉन को सेमीकंडक्टर उद्योग और कुछ के लिए उपयुक्त बनाने के लिए फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकियों, पॉलीसिलिकॉन को अति शुद्ध मोनोक्रिस्टल सिलिकॉन के माध्यम से परिवर्तित किया जाना चाहिए Czochralski प्रक्रिया। ऐसा करने के लिए, 1425 में पॉलीसिलिकॉन को क्रूसिबल में पिघलाया जाता है°सी (2597)°एफ) एक निष्क्रिय वातावरण में। एक रॉड माउंटेड सीड क्रिस्टल को पिघले हुए धातु में डुबोया जाता है और धीरे-धीरे घुमाया और हटाया जाता है, जिससे सिलिकॉन को बीज सामग्री पर बढ़ने का समय मिल जाता है।

परिणामी उत्पाद एकल क्रिस्टल सिलिकॉन धातु की एक छड़ (या गुदगुदी) है जो 99.999999999 (11N) प्रतिशत शुद्ध के रूप में उच्च हो सकती है। इस छड़ को बोरान या फॉस्फोरस के साथ डोप किया जा सकता है क्योंकि आवश्यक रूप से क्वांटम यांत्रिक गुणों को मोड़ने के लिए आवश्यक है। मोनोक्रिस्ट रॉड को ग्राहकों के लिए भेजा जा सकता है, या वेफर्स में कटा हुआ और विशिष्ट उपयोगकर्ताओं के लिए पॉलिश या बनावट किया जा सकता है।

जबकि हर साल लगभग दस मिलियन मीट्रिक टन फेरोसिलिकॉन और सिलिकॉन धातु को परिष्कृत किया जाता है, अधिकांश सिलिकॉन का व्यावसायिक रूप से उपयोग किया जाता है वास्तव में सिलिकॉन खनिजों के रूप में, जो सीमेंट, मोर्टार और सिरेमिक से सब कुछ के निर्माण में उपयोग किया जाता है, कांच और पॉलिमर।

फेरोसिलिकॉन, जैसा कि उल्लेख किया गया है, धातु सिलिकॉन का सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला रूप है। लगभग 150 साल पहले इसके पहले उपयोग के बाद से, फेरोसिलिकॉन कार्बन के उत्पादन में एक महत्वपूर्ण डीऑक्सिडाइजिंग एजेंट बन गया है स्टेनलेस स्टील. आज, स्टील गलाने से फेरोसिलिकॉन का सबसे बड़ा उपभोक्ता बना हुआ है।

हालांकि, स्टीलमेकिंग से परे फेरोसिलिकॉन के कई उपयोग हैं। के उत्पादन में यह एक पूर्व मिश्र धातु है मैग्नीशियम फेरोसिलिकॉन, एक नोड्यूलर है जो डक्टाइल आयरन का उत्पादन करता है, साथ ही उच्च शुद्धता वाले मैग्नीशियम को परिष्कृत करने के लिए पीजोन प्रक्रिया के दौरान। फेरोसिलिकॉन का उपयोग गर्मी और बनाने के लिए भी किया जा सकता है जंग प्रतिरोधी लौह सिलिकॉन मिश्र धातु के साथ-साथ सिलिकॉन स्टील, जिसका उपयोग इलेक्ट्रो-मोटर्स और ट्रांसफार्मर कोर के निर्माण में किया जाता है।

धातुकर्म कास्टिंग में स्टीलमेकिंग के साथ-साथ एल्यूमीनियम कास्टिंग में एक मिश्र धातु एजेंट का उपयोग किया जा सकता है। एल्युमीनियम-सिलिकॉन (अल-सी) कार के पुर्जे शुद्ध एल्युमीनियम से निकलने वाले घटकों की तुलना में हल्के और मजबूत होते हैं। ऑटोमोटिव पार्ट्स जैसे इंजन ब्लॉक और टायर रिम्स सबसे अधिक कास्ट एल्यूमीनियम सिलिकॉन भागों में से कुछ हैं।

रासायनिक उद्योग द्वारा लगभग आधा धातु सिलिकॉन का उपयोग धूमिल सिलिका (ए) बनाने के लिए किया जाता है उमड़ना एजेंट और desiccant), silanes (एक युग्मन एजेंट) और सिलिकॉन (सीलेंट, चिपकने वाले, और लूब्रिकेंट)। फोटोवोल्टिक ग्रेड पॉलीसिलिकॉन का उपयोग मुख्य रूप से पॉलीसिलिकॉन सौर कोशिकाओं के निर्माण में किया जाता है। सौर मॉड्यूल के एक मेगावाट बनाने के लिए लगभग पांच टन पॉलीसिलिकॉन की आवश्यकता होती है।

वर्तमान में, वैश्विक रूप से उत्पादित सौर ऊर्जा के आधे से अधिक के लिए पॉलीसिलिकॉन सौर प्रौद्योगिकी खाते हैं, जबकि मोनोसिलिकॉन तकनीक लगभग 35 प्रतिशत योगदान देती है। कुल मिलाकर, मानव द्वारा उपयोग की जाने वाली सौर ऊर्जा का 90 प्रतिशत सिलिकॉन आधारित तकनीक द्वारा एकत्र किया जाता है।

मोनोक्रिस्टल सिलिकॉन भी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में पाया जाने वाला एक महत्वपूर्ण अर्धचालक पदार्थ है। क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (FETs), एल ई डी और एकीकृत सर्किट, सिलिकॉन के उत्पादन में प्रयुक्त एक सब्सट्रेट सामग्री के रूप में वस्तुतः सभी कंप्यूटर, मोबाइल फोन, टैबलेट, टीवी, रेडियो और अन्य आधुनिक संचार में पाया जा सकता है उपकरण। यह अनुमान है कि सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के एक तिहाई से अधिक सिलिकॉन आधारित अर्धचालक प्रौद्योगिकी होते हैं।

अंत में, कठोर मिश्र धातु सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग सिंथेटिक सहित कई इलेक्ट्रॉनिक और गैर-इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में किया जाता है गहने, उच्च तापमान अर्धचालक, हार्ड सिरेमिक, काटने के उपकरण, ब्रेक डिस्क, abrasives, बुलेटप्रूफ वेस्ट, और हीटिंग तत्वों।

स्टील मिश्र धातु और लौह उत्पादन का एक संक्षिप्त इतिहास।
यूआरएल: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
होलप्पा, लॉरी, और सेप्पो लुहेनकिल्पी।

स्टीलमेकिंग में फेरोलोइज़ की भूमिका पर। जून 9-13, 2013। तेरहवीं इंटरनेशनल फेरोलाइज़ कांग्रेस। यूआरएल: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf