Was ist der Unterschied zwischen Siliziummetall mit Sauerstoff und ohne Sauerstoff?

Metallisches Silizium ist ein Siliziummaterial mit einer Reinheit von bis zu 99,999 %. Als zentrales Grundmaterial der modernen Industrie wird es häufig in hochmodernen Bereichen wie Solarphotovoltaik, Halbleitern und integrierten Schaltkreisen eingesetzt.

In der industriellen Produktion kann metallisches Silizium in Abhängigkeit davon, ob während des Schmelzprozesses Sauerstoff eingeführt wird, in sauerstoff-durchlässiges metallisches Silizium und nicht-Sauerstoff-permeables metallisches Silizium unterteilt werden. Diese beiden Prozesspfade bestimmen nicht nur die Mikrostruktur des Siliziummaterials, sondern haben auch direkten Einfluss auf dessen physikalische und chemische Eigenschaften und Anwendungsszenarien.

Sauerstoffhaltige sSilikonmetallbezieht sich auf Siliziummaterialien, die durch Einbringen von Sauerstoff während des Schmelzprozesses hergestellt werden. Durch Redoxreaktionen in einem Heizofen (z. B. Si + O₂ → SiO₂) reagiert Sauerstoff mit Rohsilizium und bildet eine stabile Siliziumdioxidschicht (SiO₂) auf der Oberfläche.

Dieser Prozess verbessert die Entfernung von Verunreinigungen (z. B. Eisen, Aluminium) und führt zu Silizium mit einer Reinheit, die typischerweise zwischen 99,5 % und 99,9 % liegt. Die oberflächliche SiO₂-Schicht fungiert als Isolator und korrosionsbeständige Barriere und unterscheidet sie chemisch und physikalisch von nicht{6}sauerstoffhaltigen Gegenstücken.

Nicht-sauerstoffhaltiges Siliziummetall wird ohne absichtliche Einführung von Sauerstoff während der Verarbeitung hergestellt. Es behält eine reine Siliziumstruktur (Si) ohne eine Oberflächenoxidschicht bei, was zu einer höheren chemischen Reaktivität führt. Diese Methode wird häufig für hochreine Anwendungen verwendet, bei denen Silizium auf eine Reinheit von 99,9–99,9999 % weiter verfeinert werden kann (z. B. Silizium der Güteklasse 9N- für Halbleiter).

Die Abwesenheit von Sauerstoff ermöglicht eine präzise Steuerung der elektrischen Leitfähigkeit, was sie für Elektronik und fortschrittliche Materialien von entscheidender Bedeutung ist.

Strukturell gesehen weist die Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche von durch-sauerstoffhaltigem Silikon eine stabile chemische Struktur auf, die für gute Isoliereigenschaften und chemische Stabilität sorgt. Andererseits ist die Struktur von nicht-sauerstoffhaltigem Silizium vergleichsweise homogener und weist eine höhere chemische Aktivität auf.

In Bezug auf die physikalischen Eigenschaften ist die Härte und Abriebfestigkeit von sauerstoffhaltigem Silikon aufgrund der Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche in der Regel besser als die von nicht -sauerstoffhaltigem Silikon. Die elektrische Leitfähigkeit von nicht-sauerstoffhaltigem Silizium ist relativ gut.

Was die elektrischen Eigenschaften betrifft, so wird Siliziumoxychlorid aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften häufig bei der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt, um Stromlecks und Kurzschlussphänomene wirksam zu verhindern. Nicht-peroxidiertes Silizium wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit häufig bei der Herstellung leitfähiger Teile in Halbleiterbauelementen verwendet.

Diese Unterscheidung hat wichtige Auswirkungen auf Materialanwendungen. Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise sind die guten Isoliereigenschaften und die Stabilität von durch-sauerstoffhaltigem Silizium der Schlüssel zur Gewährleistung der Chipleistung und -zuverlässigkeit. Im Gegensatz dazu ist unoxidiertes Silizium aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit in Szenarien wichtig, in denen eine effiziente Leitfähigkeit erforderlich ist, beispielsweise in bestimmten spezifischen Transistorstrukturen.

Darüber hinaus ermöglicht die chemische Stabilität von Nicht-{0}}Perowskit-Silizium, dass es seine Leistung in rauen Umgebungen beibehält, während Nicht--Perowskit-Silizium in Anwendungen vorteilhafter ist, die eine sehr hohe Leitfähigkeit und relativ gute Umgebungsbedingungen erfordern.

Bei der Herstellung von Siliziummetall haben die beiden Prozesse der Sauerstoffanreicherung und Sauerstoffentzug jeweils ihre eigenen einzigartigen Vorteile und eignen sich für unterschiedliche Produktionsanforderungen und Anwendungsszenarien.

Hocheffiziente Entfernung von Verunreinigungen: Durch den Sauerstoffanreicherungsprozess können Verunreinigungen wie Eisen und Aluminium schnell und effektiv entfernt werdenSiliziummetalldurch Redoxreaktionen. Im Vergleich zum nicht-sauerstoffhaltigen Verfahren kann die Effizienz der Entfernung von Verunreinigungen um 40 %-60 % gesteigert werden, sodass die Reinheit des Siliziums mehr als 99,5 % erreicht und die Grundlage für die Herstellung hochwertiger Siliziummaterialien gelegt wird.

Erhöhte Produktionseffizienz: Sauerstoff wird in den Schmelzprozess eingeführt, was eine gleichmäßige Erwärmung der Siliziumschmelze fördert und die Gleichmäßigkeit der Ofentemperatur erheblich verbessert. Dies trägt nicht nur dazu bei, den Schmelzzyklus um 20 %-30 % zu verkürzen, sondern verbessert auch die Auslastung der Produktionsanlagen, was sich sehr gut für die großindustrielle Produktion eignet.

Optimierung der Materialeigenschaften: Der Sauerstoffanreicherungsprozess wirkt sich positiv auf die Kristallstruktur des Siliziumkörpers aus, verbessert die Integrität der Kristallstruktur und verbessert so die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Siliziums.

Einfach und leicht zu steuern: Der sauerstofffreie Prozess nutzt Quarzsand und Holzkohle als Rohstoffe für die Hochtemperaturreduktion, wodurch komplexe Sauerstoffzufuhr- und Redoxprozesse überflüssig werden und der Produktionsprozess um mehr als 50 % vereinfacht wird. Dadurch ist der Prozess weniger schwierig zu bedienen und einfacher zu steuern, was sich besonders für die Produktion in kleinem Maßstab eignet.

Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung: Da der sauerstofffreie Prozess keine große Menge Sauerstoff verbraucht, hat er einen offensichtlichen Vorteil hinsichtlich der Energiekosten. Zusätzliche Geräte- und Sicherheitskosten, die mit der Verwendung von Sauerstoff verbunden sind, können ebenfalls vermieden werden.

Hervorragendes Potenzial für hohe Reinheit: Der Prozess ohne Sauerstoffanreicherung hat einen natürlichen Vorteil bei der Herstellung von hochreinem Siliziummetall. Durch mehrstufige Destillation, Zonenschmelzen und andere nachfolgende Reinigungsmaßnahmen kann die Reinheit von Silizium auf 99,9 %-99,9999 % erhöht werden, was den strengen Anforderungen von Halbleitern, Photovoltaik und anderen High-End-Bereichen an die Reinheit des Materials entspricht.

Metallurgische Industrie (Desoxidation und Legierung)

Stahlherstellung, Guss: als Desoxidationsmittel (z. B. Ferrosilicium, Calcium-Silica-Aluminium-Verbund-Desoxidationsmittel), durch die Reaktion zwischen Silizium und Sauerstoff zur Erzeugung von Siliziumdioxid (SiO₂), um den Sauerstoffgehalt im Stahl zu reduzieren, und gleichzeitig als Legierungselement zur Regulierung der Leistung von Stahl (z. B. zur Verbesserung von Festigkeit und Härte).

Gusseisenproduktion: Wird bei der Schwangerschaftsbehandlung verwendet, fördert die Graphitisierung und verbessert die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen (z. B. Zähigkeit, Verschleißfestigkeit).

Aluminiumlegierungszusätze: Silizium. Beim Aluminiumschmelzen wird eine Aluminiumlegierung mit Siliziumoxid zugesetzt, um die Fließfähigkeit und Festigkeit der Aluminiumflüssigkeit zu regulieren.

Chemische Industrie (Herstellung von Siliziumverbindungen)

Herstellung von Natriumsilikat (Wasserglas): Als Rohstoff wird Quarzsand mit Siliziumoxid verwendet, der mit Natronlauge zu Natriumsilikat reagiert, das zur Herstellung von Klebstoffen, Reinigungsmitteln und feuerfesten Materialien verwendet wird.

Herstellung von Silikonzwischenprodukten: Raffinierung von industriellem Silizium durch Erze, die Siliziumoxid enthalten (z. B. Quarz), und anschließende weitere Synthese von Silikonprodukten wie Silikonöl, Silikonkautschuk usw. (die Reinheitsanforderungen sind jedoch niedriger als die von Silizium in Halbleiterqualität).

Feuerfeste Materialien und Keramik

Feuerfeste Steine ​​und Ofenmaterialien: Unter Ausnutzung der hohen Schmelzpunkteigenschaften von Siliziumdioxid (SiO₂) stellen wir hoch{0}temperaturbeständige-feuerfeste Materialien für den Einsatz in metallurgischen Öfen, Glasöfen und anderen Hochtemperaturgeräten her.

Keramische Rohstoffe: werden als Bestandteil von Rohlingen oder Glasuren verwendet, um die Härte und chemische Stabilität von Keramik zu verbessern.

Oxid-freiSiliziummetall(sehr niedriger Sauerstoffgehalt, die Reinheit liegt normalerweise bei mindestens 99,9 %) wird hauptsächlich in der elektronischen Information, neuen Energien, der High-End-Fertigung und anderen Bereichen verwendet, die eine sehr hohe Reinheit erfordern.

Hochwertige-Legierungen und Sonderwerkstoffe

Legierungen für die Luft- und Raumfahrt: Wird bei der Herstellung von hoch{0}reinen Silizium-Aluminium-Legierungen (z. B. Flugzeug--Triebwerkskomponenten) verwendet, um das Gewicht und die Korrosionsbeständigkeit des Materials zu verbessern.

Spezialkeramiken und Beschichtungen: werden als Rohstoff für Präzisionskeramiken (z. B. Siliziumnitridkeramik) oder für Hochtemperatur-Beschichtungsmaterialien (z. B. Silizidbeschichtungen zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von Metallen) verwendet.

Halbleiter- und Elektronikindustrie

Chipherstellung: Halbleiter-hochreines-Silizium (Reinheit von 99,999999999 % oder mehr, als „9N-Silizium“ bezeichnet) wird durch Kristallziehen, Schneiden, Fotolithographie usw. zu Siliziumwafern verarbeitet, die das Kernsubstrat für integrierte Schaltkreise (CPU, Speicher usw.) bilden.

Photovoltaik-(Solar-)Industrie

Sonnenkollektoren: Hochreines Polysilizium (Reinheit 99,999 % oder mehr) wird durch Guss- oder Kristallziehverfahren zu Barren/Stäben verarbeitet und in Photovoltaikzellen geschnitten, um Lichtenergie in Elektrizität umzuwandeln.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Unterschied zwischen sauerstoffhaltigem und nicht sauerstoffhaltigem Silizium, jedes mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften, ihre Eignung in verschiedenen Bereichen und Anwendungsszenarien bestimmt und eine Vielzahl von Wahlmöglichkeiten für die Entwicklung der modernen Elektronik- und Halbleiterindustrie bietet.