一看半金屬矽
金屬矽是一種灰色和有光澤的半導體金屬，用於製造鋼，太陽能電池和微芯片。
矽是地殼中僅次於氧的第二大元素，也是宇宙中第八大元素。 事實上，地殼重量的近30％可以歸因於矽。
原子序數為14的元素天然存在於矽酸鹽礦物中，包括二氧化矽，長石和雲母，它們是常見岩石的主要組分，如石英和砂岩。
半金屬（或準金屬 ）矽具有金屬和非金屬的一些性質。
像水一樣 - 但與大多數金屬不同，矽在液態時收縮並在固化時膨脹。 它具有較高的熔點和沸點，結晶時形成金剛石立方晶體結構。
矽作為半導體及其在電子領域中的應用的關鍵在於元素的原子結構，其包括四個價電子，其允許矽與其他元素容易地鍵合。
屬性：
- 原子符號：Si
- 原子序數：14
- 元素分類：準金屬
- 密度：2.329g / cm3
- 熔點：2577°F（1414°C）
- 沸點：5909°F（3265°C）
- 莫氏硬度：7
歷史：
瑞典化學家Jons Jacob Berzerlius於1823年獲得第一批隔離矽片.Berzerlius通過在坩堝中加入金屬鉀（僅在十年前分離出來）和氟矽酸鉀來完成此項工作。
結果是非晶矽。
然而，製造晶體矽需要更多時間。 晶體矽的電解樣品將不會再製造三十年。
矽的首次商業化使用是矽鐵。
繼19世紀中期亨利·貝斯默爾煉鋼工業的現代化之後， 鋼鐵冶金和煉鋼技術的研究引起了人們的極大興趣。
到19世紀80年代第一次工業生產矽鐵時 ，矽在改善生鐵延展性和脫氧鋼中的重要性已得到很好的理解。
在高爐中通過用木炭減少含矽礦石來早期生產矽鐵，其導致銀色生鐵（一種矽含量高達20％的矽鐵）。
20世紀初電弧爐的發展不僅使鋼鐵產量增加 ，而且還使更多的矽鐵生產得以實現。
1903年，一家專門從事鐵合金生產的集團（Compagnie Generate d'Electrochimie）開始在德國，法國和奧地利運營，並於1907年在美國成立了第一座商業矽工廠。
煉鋼並不是19世紀末以前商業化的矽化合物的唯一應用。
為了在1890年生產人造鑽石，愛德華古德里奇艾奇遜加熱矽酸鋁與粉狀焦炭和偶然生產的碳化矽（SiC）。
三年後，艾奇遜獲得了其生產方法的專利，並成立了碳化矽公司（碳化矽當時的通用名稱），以製造和銷售磨料產品。
到20世紀初，碳化矽的導電性也得到了實現，該化合物在早期的船用無線電中被用作探測器。 1906年GW Pickard獲得矽晶體探測器專利。
1907年，第一個發光二極管（LED）通過向碳化矽晶體施加電壓而形成。
到20世紀30年代，隨著矽化合物和矽酮等新化學產品的發展，矽的使用量也在增加。
過去一個世紀的電子產品的發展也與硅及其獨特性質密不可分。
儘管第一批晶體管（現代微芯片的前身）在20世紀40年代以鍺為基礎的創建 ，但不久之後，矽取代了其準金屬表親作為更耐用的襯底半導體材料。
貝爾實驗室和德州儀器於1954年開始商業生產矽基晶體管。
第一個矽集成電路是在20世紀60年代製造的，到了70年代，含矽處理器已經開發出來。
鑑於基於矽的半導體技術構成了現代電子和計算的主幹，我們將此行業的活動中心稱為“矽谷”應該不足為奇。
（關於矽谷和微芯片技術的歷史和發展的詳細信息，我強烈推薦名為矽谷的美國經驗記錄片）。
在推出第一批晶體管後不久，貝爾實驗室在矽片方面的工作就在1954年實現了第二次重大突破：第一個矽光伏（太陽能）電池。
在此之前，大多數人認為利用太陽能量在地球上創造力量的想法是不可能的。 但就在四年之後，1958年，第一顆由矽太陽能電池供電的衛星正在繞地球運轉。
到20世紀70年代，太陽能技術的商業應用已經發展到地面應用，例如在海上石油鑽井平台和鐵路交叉點上為照明提供動力。
在過去的二十年裡，太陽能的使用呈指數級增長。 目前，矽基光伏技術佔全球太陽能市場的90％左右。
生產：
每年精煉的矽（大約80％）大部分都是用作鐵和鋼鐵生產的矽鐵。 取決於冶煉廠的要求，矽鐵可以含有15％到90％的矽。
鐵和矽的合金通過還原熔煉使用埋入式電弧爐來生產。 富含二氧化矽的礦石和焦炭（冶金煤）等碳源被粉碎並與廢鐵一起裝入爐內。
在溫度超過1900 ° C（3450 ° F）時，碳會與礦石中存在的氧反應，形成一氧化碳氣體。 與此同時，剩餘的鐵和矽結合起來製造熔融的矽鐵，可以通過攻絲爐底來收集熔融的矽鐵。
一旦冷卻和硬化，矽鐵就可以運輸並直接用於鋼鐵生產。
使用不含鐵的相同方法來生產純度大於99％的冶金級矽。 冶金矽也用於鋼鐵冶煉，以及鋁鑄造合金和矽烷化學品的製造。
冶金矽按合金中存在的鐵， 鋁和鈣的雜質水平進行分類。 例如，553矽金屬含有少於0.5％的鐵和鋁，少於0.3％的鈣。
全球每年生產約800萬公噸矽鐵，其中中國約佔70％。 大型生產商包括鄂爾多斯冶金集團，寧夏榮盛鐵合金集團，OM材料集團和Elkem。
每年生產額外的260萬公噸冶金矽，或約20％的精煉矽金屬。 中國也是這一產量的80％左右。
令很多人感到意外的是，太陽能和電子級別的矽佔所有精製矽產量的很小一部分（不到2％）。
要升級到太陽能級金屬矽（多晶矽），純度必須增加到99.9999％（6N）純矽。 這是通過三種方法之一完成的，最常用的是西門子過程。
西門子工藝涉及稱為三氯矽烷的揮發性氣體的化學氣相沉積。 在1150 ° C（2102 ° F）時，將三氯矽烷吹在安裝在棒末端的高純矽籽晶上。 當它通過時，來自氣體的高純度矽沉積在種子上。
流化床反應器（FBR）和升級冶金級（UMG）矽技術也用於增強適用於光伏行業的金屬與多晶矽。
2013年生產了230,000公噸多晶矽。主要生產商包括GCL Poly，Wacker-Chemie和OCI。
最後，為了使電子級矽適用於半導體工業和某些光伏技術，必須通過切克勞斯基工藝將多晶矽轉化為超純單晶矽。
為此，多晶矽在惰性氣氛中在1425 ℃ （2597 ° F）的坩堝中熔化。 然後將安裝在棒上的晶種浸入熔融金屬中並緩慢旋轉並除去，給矽在種子材料上生長留出時間。
所得到的產品是單晶矽金屬棒（或晶錠），其純度可高達99.999999999（11N）。 該棒可根據需要摻雜硼或磷以根據需要調整量子力學性質。
單晶棒可以直接運送給客戶，或者切片成晶片，並為特定用戶打磨或紋理化。
應用：
儘管每年精煉大約一千萬噸矽鐵和矽金屬，但大多數商業使用的矽實際上是矽礦物的形式，用於製造從水泥，迫擊砲和陶瓷到玻璃和聚合物。
如上所述，矽鐵是最常用的金屬矽形式。 自150年前首次使用以來，矽鐵一直是碳鋼和不銹鋼生產中的重要脫氧劑。 今天，鋼鐵冶煉仍然是矽鐵最大的消費國。
儘管如此，矽鐵還有許多超越煉鋼的用途。 它是用於生產鎂矽鐵，用於生產球墨鑄鐵的球化劑，以及用於煉製高純鎂的皮江過程中的預合金。
矽鐵也可用於製造耐熱和耐腐蝕的鐵矽合金以及用於製造電動機和變壓器鐵芯的矽鋼。
冶金矽可用於煉鋼以及鋁合金鑄造中的合金劑。 鋁矽（Al-Si）汽車零部件比純鋁鑄造的零部件輕量且強度更高。 諸如發動機缸體和輪輞之類的汽車部件是一些最常用的鑄鋁矽部件。
化學工業中將近一半的冶金矽用於製造氣相二氧化矽（增稠劑和乾燥劑），矽烷（偶聯劑）和有機矽（密封劑，粘合劑和潤滑劑）。
光伏級多晶矽主要用於製造多晶矽太陽能電池。 製造一兆瓦太陽能電池組件需要約五噸多晶矽。
目前，多晶矽太陽能技術佔全球太陽能產量的一半以上，而單晶矽技術佔全球太陽能的35％左右。 總的來說，90％的人類使用的太陽能是通過矽基技術收集的。
單晶矽也是現代電子產品中的關鍵半導體材料。 作為用於生產場效應晶體管（FET），LED和集成電路的襯底材料，幾乎所有的計算機，手機，平板電腦，電視機，收音機和其他現代通信設備都可以找到矽。
據估計，超過三分之一的電子器件含有矽基半導體技術。
最後，硬質合金碳化矽用於各種電子和非電子應用，包括合成首飾，高溫半導體，硬陶瓷，切割工具，制動盤，磨料，防彈背心和加熱元件。
資料來源：
鋼鐵合金化與鐵合金生產簡史。
網址： http ： //www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa，Lauri和Seppo Louhenkilpi。
鐵合金在煉鋼中的作用。 2013年6月9-13日。第十三屆國際鐵合金會議。 URL： http : //www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
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