Wat is het verschil tussen siliciummetaal met zuurstof en zonder zuurstof

Metallisch silicium is een siliciummateriaal met een zuiverheid tot 99,999%. Het is het belangrijkste basismateriaal van de moderne industrie en wordt veel gebruikt in baanbrekende domeinen zoals fotovoltaïsche zonne-energie, halfgeleiders en geïntegreerde schakelingen.

Bij de industriële productie kan metallisch silicium, afhankelijk van de vraag of er tijdens het smeltproces zuurstof wordt geïntroduceerd, worden onderverdeeld in zuurstof-doorlaatbaar metallisch silicium en niet-zuurstof-doorlaatbaar metallisch silicium. Deze twee procespaden bepalen niet alleen de microstructuur van het siliciummateriaal, maar hebben ook rechtstreeks invloed op de fysische en chemische eigenschappen en toepassingsscenario's.

Zuurstofrijke ssilicium metaalverwijst naar siliciummaterialen die worden geproduceerd door zuurstof in te brengen tijdens het smeltproces. Door redoxreacties in een verwarmingsoven (bijvoorbeeld Si + O₂ → SiO₂) reageert zuurstof met ruw silicium om een ​​stabiele laag siliciumdioxide (SiO₂) op het oppervlak te vormen.

Dit proces verbetert de verwijdering van onzuiverheden (bijvoorbeeld ijzer, aluminium) en resulteert in silicium met een zuiverheid die doorgaans varieert van 99,5% tot 99,9%. De SiO₂-oppervlaktelaag fungeert als een isolator en corrosiebestendige-barrière, waardoor deze chemisch en fysiek wordt onderscheiden van niet-zuurstofrijke tegenhangers.

Niet-zuurstofrijk siliciummetaal wordt geproduceerd zonder dat tijdens de verwerking opzettelijk zuurstof wordt toegevoegd. Het behoudt een zuivere siliciumstructuur (Si) zonder een oxidelaag aan het oppervlak, wat leidt tot een hogere chemische reactiviteit. Deze methode wordt vaak gebruikt voor toepassingen met een hoge-zuiverheid, waarbij silicium verder kan worden verfijnd tot een zuiverheid van 99,9%–99,9999% (bijvoorbeeld silicium van 9N-kwaliteit voor halfgeleiders).

De afwezigheid van zuurstof zorgt voor een nauwkeurige controle van de elektrische geleidbaarheid, waardoor dit van cruciaal belang is voor elektronica en geavanceerde materialen.

Structureel heeft de siliciumdioxidelaag op het oppervlak van door-zuurstofrijke siliconen een stabiele chemische structuur die goede isolerende eigenschappen en chemische stabiliteit biedt. Aan de andere kant is de structuur van niet-zuurstofrijk silicium relatief homogener en heeft het een hogere chemische activiteit.

In termen van fysieke eigenschappen is de hardheid en slijtvastheid van zuurstofrijke siliconen doorgaans beter dan die van niet-zuurstofrijke siliconen vanwege de siliciumdioxidelaag op het oppervlak. De elektrische geleidbaarheid van niet-zuurstofrijk silicium is relatief goed.

In termen van elektrische eigenschappen zorgen de isolerende eigenschappen van siliciumoxychloride ervoor dat het op grote schaal wordt gebruikt bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen om stroomlekkage en kortsluitverschijnselen effectief te voorkomen. Niet-geperoxygeneerd silicium wordt vanwege de goede elektrische geleidbaarheid vaak gebruikt bij de vervaardiging van geleidende onderdelen in halfgeleiderapparaten.

Dit onderscheid heeft belangrijke implicaties voor materiaaltoepassingen. Bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen zijn de goede isolerende eigenschappen en stabiliteit van door-zuurstofrijk silicium van cruciaal belang voor het garanderen van chipprestaties en betrouwbaarheid. Daarentegen maakt de hoge geleidbaarheid van niet-geoxideerd silicium het belangrijk in scenario's waarin efficiënte geleidbaarheid vereist is, zoals in bepaalde specifieke transistorstructuren.

Bovendien zorgt de chemische stabiliteit van niet-{0}}perovskiet-silicium ervoor dat het zijn prestaties in ruwe omgevingen kan behouden, terwijl niet---perovskiet-silicium voordeliger is in toepassingen die een zeer hoge geleidbaarheid en relatief goede omgevingsomstandigheden vereisen.

Bij de productie van siliciummetaal hebben de twee processen van oxygenatie en de-deoxygenatie elk hun eigen unieke voordelen en zijn ze geschikt voor verschillende productiebehoeften en toepassingsscenario's.

Zeer efficiënte verwijdering van onzuiverheden: het oxygenatieproces kan onzuiverheden zoals ijzer en aluminium snel en effectief verwijderensilicium metaalvia redoxreacties. Vergeleken met het niet-zuurstofproces kan de efficiëntie van de verwijdering van onzuiverheden met 40%-60% worden verhoogd, waardoor de siliciumzuiverheid meer dan 99,5% kan bereiken, waarmee de basis wordt gelegd voor de productie van hoogwaardige siliciummaterialen.

Verbeterde productie-efficiëntie: Zuurstof wordt in het smeltproces geïntroduceerd, wat een uniforme verwarming van de siliciumsmelt bevordert en de uniformiteit van de oventemperatuur aanzienlijk verbetert. Dit helpt niet alleen om de smeltcyclus met 20%-30% te verkorten, maar verbetert ook de bezettingsgraad van de productieapparatuur, die zeer geschikt is voor grootschalige geïndustrialiseerde productie.

Optimaliseren van materiaaleigenschappen: Het oxygenatieproces heeft een positief effect op de kristalstructuur van het siliciumlichaam, waardoor de integriteit van de kristalstructuur wordt verbeterd en zo de fysische en chemische eigenschappen van het silicium worden verbeterd.

Eenvoudig en gemakkelijk te controleren: het zuurstof-vrije proces maakt gebruik van kwartszand en houtskool als grondstoffen voor hoge- temperatuurverlaging, waardoor de noodzaak voor complexe zuurstoftoevoer- en redoxprocessen wordt geëlimineerd en het productieproces met meer dan 50% wordt vereenvoudigd. Dit maakt het proces minder moeilijk te bedienen en gemakkelijker te controleren, vooral geschikt voor productie op kleine- schaal.

Energiebesparing en verbruiksreductie: aangezien het zuurstof-vrije proces niet veel zuurstof verbruikt, heeft het een duidelijk voordeel in termen van energiekosten. Extra apparatuur en veiligheidskosten die verband houden met het gebruik van zuurstof kunnen ook worden vermeden.

Uitstekend hoogzuiver potentieel: het niet-zuurstofproces heeft een natuurlijk voordeel bij de bereiding van hoog-zuiver siliciummetaal. Door meer-trapsdestillatie, zone-smelten en andere daaropvolgende zuiveringsmiddelen kan de zuiverheid van silicium worden verhoogd tot 99,9%-99,9999%, wat voldoet aan de strenge eisen van halfgeleiders, fotovoltaïsche cellen en andere hoogwaardige velden wat betreft de zuiverheid van het materiaal.

Metallurgische industrie (deoxidatie en legering)

Staalproductie, gieten: als deoxidatiemiddel (zoals ferrosilicium, calciumsilicium-aluminium composietdeoxidatiemiddel), door de reactie tussen silicium en zuurstof om siliciumdioxide (SiO₂) te genereren om het zuurstofgehalte in staal te verminderen, en tegelijkertijd als legeringselement om de prestaties van staal te reguleren (zoals om de sterkte en hardheid te verbeteren).

Gietijzerproductie: gebruikt bij zwangerschapsbehandeling, bevordert grafitisering, verbetert de mechanische eigenschappen van gietijzer (zoals taaiheid, slijtvastheid).

Additieven voor aluminiumlegeringen: Silicium Een aluminiumlegering die siliciumoxide bevat, wordt toegevoegd bij het smelten van aluminium om de vloeibaarheid en sterkte van de aluminiumvloeistof te regelen.

Chemische industrie (bereiding van siliciumverbindingen)

Productie van natriumsilicaat (waterglas): kwartszand dat siliciumoxide bevat, wordt gebruikt als grondstof en reageert met natronloog om natriumsilicaat te produceren, dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van lijmen, reinigingsmiddelen en vuurvaste materialen.

Bereiding van siliconentussenproducten: het raffineren van industrieel silicium via ertsen die siliciumoxide bevatten (zoals kwarts), en vervolgens het verder synthetiseren van siliconenproducten zoals siliconenolie, siliconenrubber, enz. (maar de zuiverheidsvereiste is lager dan die van silicium van halfgeleider{1}}kwaliteit).

Vuurvaste materialen en keramiek

Vuurvaste stenen en ovenmaterialen: Door gebruik te maken van de hoge smeltpunteigenschappen van siliciumdioxide (SiO₂) vervaardigen wij hoge-temperatuur-resistente vuurvaste materialen voor gebruik in metallurgische ovens, glasovens en andere hoge- apparatuur.

Keramische grondstoffen: gebruikt als onderdeel van plano's of glazuren om de hardheid en chemische stabiliteit van keramiek te verbeteren.

Oxide-vrijsilicium metaal(zeer laag zuurstofgehalte, zuiverheid is meestal groter dan of gelijk aan 99,9%) en wordt voornamelijk gebruikt in elektronische informatie, nieuwe energie, hoogwaardige-productie en andere gebieden die een zeer hoge zuiverheid vereisen.

Hoogwaardige-legeringen en speciale materialen

Legeringen voor de lucht- en ruimtevaart: gebruikt bij de bereiding van siliciumaluminiumlegeringen met hoge{0}} zuiverheid (zoals vliegtuig- motoronderdelen), om het lichtgewicht en de corrosieweerstand van het materiaal te verbeteren.

Speciale keramiek en coatings: gebruikt als grondstof voor precisiekeramiek (bijv. keramiek op basis van siliciumnitride) of voor coatingmaterialen op hoge- temperatuur (bijv. silicidecoatings om de weerstand tegen metaaloxidatie te verbeteren).

Halfgeleider- en elektronica-industrie

Chipproductie: Halfgeleider-hoog-zuiver silicium (zuiverheid van 99,999999999% of meer, ook wel '9N-silicium' genoemd) wordt tot siliciumwafels verwerkt door het proces van kristaltrekken, snijden, fotolithografie, enz., wat het kernsubstraat vormt voor geïntegreerde schakelingen (CPU, geheugen, enz.).

Fotovoltaïsche (zonne)industrie

Zonnepanelen: Zeer zuiver polysilicium (zuiverheid van 99,999% of meer) wordt tot blokken/staven verwerkt door middel van giet- of kristaltrekprocessen, en in fotovoltaïsche cellen gesneden om lichtenergie om te zetten in elektriciteit.

Concluderend bepaalt het verschil tussen geoxygeneerd en niet-geoxygeneerd silicium, elk met zijn eigen unieke eigenschappen, hun geschiktheid in verschillende velden en toepassingsscenario's, wat een verscheidenheid aan keuzes biedt voor de ontwikkeling van de moderne elektronica- en halfgeleiderindustrieën.