Для чего используется технический кремний

Кремний элемент. Свойства и применение

Описание и свойства кремния

Кремний – элемент, чётвёртая группа, третий период в таблице элементов. Атомный номер 14. Формула кремния — [Si] 3s2 3p2. Определён как элемент, в 1811 г, а в 1834 г получил русское название «кремний», взамен прежнего «сицилий». Плавится при 1414º С, закипает при 2349º С.

Рабочие свойства кремния зависят от содержания в нём определённых содержаний. У кремния допустим различный тип проводимости. В частности это «дырочный» и «электронный» тип. Для получения первого в кремний добавляется бор. Если добавить фосфор, кремний приобретает второй тип проводимости. Если кремний нагревать вместе с другими металлами, образовываются специфические соединения, называемые «силицидами», например, при реакции «магний-кремний«.

Кремний, идущий на нужды электроники, в первую очередь оценивается по характеристикам его верхних слоёв. Поэтому необходимо обращать внимание именно на их качество, оно непосредственно отражается на общих показателях. От них зависит работа произведённого прибора. Для получения наиболее приемлемых показателей верхних слоёв кремния, их обрабатывают различными химическими способами или подвергают облучению.

Соединение «сера-кремний», образует сульфид кремния, легко взаимодействующий с водой и кислородом. При реакции с кислородом, в температурных условиях выше 400º С, получается диоксид кремния. При этой же температуре становятся возможными реакции с хлором и йодом, а также с бромом, во время этого образуются летучие вещества – тетрагалогениды.

Соединить кремний и водород, путём прямого контакта, не получится, для этого существуют методы косвенного характера. При 1000º С возможна реакция с азотом, а также бором, при этом получается нитрид и борид кремния. При этой же температуре, соединив кремний с углеродом, можно произвести карбид кремния, так называемый «карборунд». Данный состав обладает твёрдой структурой, химическая активность вялая. Используется как абразив.

В соединении с железом, кремний образует особую смесь, это допускает плавление этих элементов, при котором образуется ферросилициевая керамика. Причём температура её плавления гораздо ниже, чем если их плавить по отдельности. При температурном режиме выше 1200º С, из элемента начинается образование оксида кремния, также при определённых условиях получается гидроксид кремния. При травлении кремния применяются щелочные растворы на водной основе. Их температура должна быть не менее 60º С.

Месторождения и добыча кремния

Применение кремния

Также из неочищенного кремния производят более качественные производные, в частности, моно и поликристаллический кремний, а также кремниевые органики – это силиконы и различные органические масла. Также он нашёл своё применение при производстве цемента и стекольной промышленности. Не обошёл он и кирпичное производство, фабрики производящие фарфор и фаянс также без него не обходятся.

Кремний входит в состав всем известного силикатного клея, который идёт на ремонтные работы, а раньше он использовался в канцелярских нуждах, пока не появились более практичные заменители. В состав некоторых пиротехнических изделий также входи кремний. Из него и его железных сплавов можно получать водород на открытом воздухе.

На что идёт более качественный кремний? Пластины солнечных батарей тоже включают в состав кремний, естественно не технический. Для этих нужд необходим кремний идеальной чистоты или хотя бы технический кремний высшей степени очистки.

Так называемый «электронный кремний», который содержит кремний почти на 100%, обладает гораздо лучшими показателями. Поэтому его предпочитают при производстве сверхточных электронных приборов и сложных микросхем. При их изготовлении требуется качественная производственная схема, кремний для которой должен идти только высшей категории. Работа этих устройств зависит от того, сколько содержит кремний нежелательных примесей.

Кремний занимает важное место в природе, и большинство живых существ, постоянно испытывают в нём потребность. Для них это своеобразный строительный состав, потому — что он крайне важен для здоровья опорно-двигательного аппарата. Ежедневно человек поглощает до 1 г соединений кремния.

Может ли кремний быть вредным?

Да, по той причине что, диоксид кремния крайне расположен к пылеобразованию. Она имеет раздражающее воздействие на слизистые поверхности организма и способна активно накапливаться в лёгких, вызывая силикоз. Для этого на производстве связанного с переработкой кремниевых элементов, обязательно применение респираторов. Особенно важно их наличие, если речь идёт о моноксиде кремния.

Цена кремния

Как известно вся современная электронная техника, начиная от телекоммуникаций и заканчивая компьютерными технологиями, основывается на применении кремния, используя его полупроводниковые свойства. Его другие аналоги применяются в гораздо меньшей степени. Уникальные свойства кремния и его производных пока вне конкуренции, на долгие года вперёд. Несмотря на спад цен в 2001 г на кремний, продажи быстро пришли в норму. И уже в 2003 г товарооборот составил 24 тысячи тонн за год.

Для новейших технологий, требующих почти кристальной чистоты кремния, его технические аналоги не подходят. А за счёт его сложной системы очистки цена соответственно в разы возрастает. Более распространённым является поликристаллический тип кремния, несколько меньшим спросом пользуется его монокристаллический прототип. При этом доля использования кремния для полупроводников занимает львиную часть товарооборота.

Цены на продукцию варьируются в зависимости от чистоты и назначения кремния, купить который, можно начиная от 10 центов за кг неочищенного сырья и до 10$ и выше за «электронный» кремний.

Источник

ТЕХНИЧЕСКИЙ (МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ) КРЕМНИЙ

Кремний широко используется современной промышленностью. Потребление его происходит по двум каналам. В виде кремнистых ферросплавов и чистого кремния различной степени очистки.

В настоящее время общегодовое производство технического кремния в мире составляет около 950 тыс./г., кремний производится в 44 странах мира 42 фирмами.

Основное количество ферросплавов (кремния) используют в сталеплавильном производстве для раскисления и получения легированных сталей различных марок, модификаций чугуна и сплавов.

Кремний, как легируюшая добавка, повышает твердость, прочность, упругость стали понижая ее вязкость. Кремний способствует улучшению магнитных свойств стали и применяется для легирования электротехнических сталей.

Многие сферы производства требуют применения чистого кремния, лишенного примесей.

Наиболее крупными потребителями очищенного кремния могут являются следующие.

Производство кремнийорганических соединений следует характеризовать как новое прогрессивное направление, которое еще не сказало своего последнего слова. Главнейшие направления: производство силиконового каучука и резины, способной работать при температуре до 300°С и выше; смазочные масла для форсированных двигателей с рабочей температурой до 400-450 о С; смолы, лаки, клеи, изоляция до Т-250 о С; стойкие силиконовые краски для зданий, судов, сооружений и т.д. с консервирующими свойствами и др.

Производство силицированного графита и самосвязанного карбида кремния.

Организация новых непрерывных производств сопровождается повышением технологических параметров: температуры, давления, концентрации агрессивных сред и др. Повысились требования к конструкционным материалам, прежде всего в отношении их жаропрочности, стойкости к теплосменам, сопротивляемости износу, способности длительно работать без разрушения в условиях воздействия агрессивных сред различной концентрации. Этим требованиям удовлетворяют два новых материала.

Указанные материалы далеко не исчерпали своих возможностей.

Производство особо чистого полупроводникового кремния. Быстро развивающаяся новая отрасль, объемы в производства которой прогрессивно увеличиваются и достигли 80-90 годах десятков тысяч тонн очищенного кремния. Это обеспечивает выпуск широкого ассортимента БИС и СБИС-компонентов для микропроцессоров, запоминающих устройств, логических ИС, ЭВМ, бытовой электроники, чипов, тонких кремниевых лент, эпитаксиальных покрытий различного назначения, в том числе для солнечных элементов и батарей и т.д.

Сюда следует добавить производство компонентов радиоэлектроники из чистого карбида кремния, который обладает уникальными полупроводниковыми свойствами, сохраняющимися при высоких рабочих температурах до 1000°С для изготовления силовых диодов с высокой отдаваемой мощностью, детекторов ультрафиолетового излучения, фотонов и ядерных частиц в условиях радиационного облучения, повышенных механических нагрузок, вибрации и химической вредности рабочей среды.

Карбидокремниевые огнеупоры, представляющие собой обоженную спрессованную смесь SiC на глинистой или пековой связке, могут работать при температуре до 2000 °С и используются в самых ответственных узлах высокотемпературных печей.

Карбидкремневые абразивы, самые массовые абразивы в отечественной промышленности. Изготовляются из порошков карбида кремния на связке. Широко используются в машиностроении и др. отраслях для обработки, точки, шлифовки и полировки различных деталей и изделий из металлов, сплавов и др. материалов.

Доли потребления кремния перечисленными производствами различны по отдельным странам. Кроме того, они подвержены изменениям в каждой отдельной стране в зависимости от изменения структуры потребления.

Источник

Кремний: характеристики, особенности и области применения

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Что такое кремний

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Источник

Кремний

В начале восемнадцатого века французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак и его коллега Луи Жак Тенар получили кремний в чистом виде. Позже, шведский учёный Йёнс Якоб Берцелиус также вывел элементарный кремний и назвал его «силиций» (в переводе с латыни silex – кремень). В России официальное название «кремний» ввёл Г.И. Гесс в тридцатых годах 18 века, что в переводе с древнегреческого (κρημνός) означает «гора, утёс».

Свободный кремний образуется при нагреве свыше 400 °С белого песка (SiO₂) с магнием (Mg): [SiO]₂ + 2Mg=2MgO + Si, где кремний представляет собой коричневый порошок.

В металлургической промышленности кремний получают следующим способом:

восстанавливают расплав диоксида кремния при помощи кокса при температуре примерно тысяча восемьсот градусов по Цельсию в рудотермических шахтных печах. После такого процесса чистота кремния бывает 99,9 % (основными примесями являются металл и углерод). В дальнейшем кремний могут снова очистить от примесей.

В лабораториях очистка кремния происходит следующим образом: сперва получают Mg₂Si, потом при помощи уксусной или соляной кислоты из силицида магния делают газообразный SiH₄. Полученный моносилан подвергается чистке, например, сорбционной или же ректификационной, либо другими методами. В завершении SiH₄ разлагают на водород и кремний при температуре примерно в тысячу градусов по Цельсию.

Разрабатывают кремниевые очистки, являющиеся более эффективными, чистыми, недорогими. К 2010 году была произведена кремниевая очистка, в которой использовался фтор (хлор поменяли на фтор); были разработаны технологии, которые предусматривают монооксидную кремниевую дистилляцию; были изобретены технологии, которые берут основу на вытравливании примесей, которые, как правило, концентрируются на границах между зёрен (кристаллитов).

В неочищенном состоянии кремниевые примеси имеют массу, сниженную на 10-8 – 10-6 %.

Технический кремний применяют:

1. В металлургическом производстве как:
— один из компонентов сплава бронзы, силумина;
— раскислитель при выплавке стали и чугуна;
— легирующий элемент, модификатор;
2. Как сырьё для получения поликремния (материал, состоящий из мелких кристаллитов кремния).
3. При изготовлении силанов, а также кремнийорганических материалов.
4. В полевых условиях при производстве водорода.
5. При изготовлении солнечных батарей.
6. В пластмассовой промышленности как антиблок (добавка).

Ещё кремний применяют для того, чтобы произвести пассивные элементы электро-схем, а также для производства монолитных микросхем. Главными компонентами производства солнечных батарей помимо чистого кремния являются его отходы, а также кристаллический кремний.

Кремний монокристаллический используется в производстве электроники и зеркал газовых лазеров.

В мире очень популярен клей, произведённый из силиката, его используют как «высушиватель» при строительстве и в пиротехническом производстве, чтобы приклеивать бумагу.

Источник

Кремний

Кремний — очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма — диоксида кремния, SiO₂ (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO₄ 4- ). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте.

СТРУКТУРА

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Имеет объемную структуру. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний является идеальными изолятором, так как не имеет свободных электронов, создающих проводимость.

СВОЙСТВА

Аморфный кремний – порошок бурого цвета на основе сильно разупорядоченной алмазоподобной структуры. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

МОРФОЛОГИЯ

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л. Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде — мельчайшие включения (наноиндивиды) в ийолитах Горячегорского щелочно-габброидного массива (Кузнецкий Алатау, Красноярский край); в Карелии и на Кольском п-ове (по мат. изучения Кольской сверхглубокой скважины); микроскопические кристаллы в фумаролах вулканов Толбачик и Кудрявый (Камчатка).

ПРИМЕНЕНИЕ

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них. Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги. Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Технический кремний находит следующие применения:

Источник