¿Cuál es la diferencia entre silicio metálico con oxígeno y sin oxígeno?

El silicio metálico es un material de silicio con una pureza de hasta el 99,999%. Como material básico de la industria moderna, se utiliza ampliamente en-campos de vanguardia como la energía solar fotovoltaica, los semiconductores y los circuitos integrados.

En la producción industrial, dependiendo de si se introduce oxígeno durante el proceso de fundición, el silicio metálico se puede dividir en silicio metálico permeable al oxígeno-y silicio metálico no-permeable al oxígeno-. Estas dos rutas de proceso no sólo determinan la microestructura del material de silicio, sino que también afectan directamente sus propiedades físicas y químicas y sus escenarios de aplicación.

oxigenadosmetal de siliconase refiere a materiales de silicio producidos mediante la introducción de oxígeno durante el proceso de fundición. A través de reacciones redox en un horno de calentamiento (p. ej., Si + O₂ → SiO₂), el oxígeno reacciona con el silicio bruto para formar una capa estable de dióxido de silicio (SiO₂) en la superficie.

Este proceso mejora la eliminación de impurezas (por ejemplo, hierro, aluminio) y da como resultado silicio con una pureza que normalmente oscila entre el 99,5% y el 99,9%. La capa superficial de SiO₂ actúa como aislante y barrera resistente a la corrosión-, lo que la distingue química y físicamente de sus homólogos no-oxigenados.

El silicio metálico no-oxigenado se produce sin introducción intencionada de oxígeno durante el procesamiento. Conserva una estructura de silicio puro (Si) sin una capa de óxido superficial, lo que conduce a una mayor reactividad química. Este método se utiliza a menudo para aplicaciones de alta-pureza, donde el silicio se puede refinar aún más hasta alcanzar una pureza del 99,9% al 99,9999% (por ejemplo, silicio de grado 9N-para semiconductores).

La ausencia de oxígeno permite un control preciso de la conductividad eléctrica, lo que la hace fundamental para la electrónica y los materiales avanzados.

Estructuralmente, la capa de dióxido de silicio en la superficie de la silicona-oxigenada tiene una estructura química estable que proporciona buenas propiedades aislantes y estabilidad química. Por otro lado, la estructura del silicio no-oxigenado es relativamente más homogénea y tiene mayor actividad química.

En términos de propiedades físicas, la dureza y la resistencia a la abrasión de la silicona oxigenada suelen ser mejores que las de la silicona no-oxigenada debido a la capa de dióxido de silicio en la superficie. La conductividad eléctrica del silicio no-oxigenado es relativamente buena.

En términos de propiedades eléctricas, las propiedades aislantes del oxicloruro de silicio lo hacen ampliamente utilizado en la fabricación de circuitos integrados para prevenir eficazmente fugas de corriente y fenómenos de cortocircuito-. El silicio no-peroxigenado se utiliza comúnmente en la fabricación de piezas conductoras en dispositivos semiconductores debido a su buena conductividad eléctrica.

Esta distinción tiene implicaciones importantes para las aplicaciones materiales. En la fabricación de circuitos integrados, las buenas propiedades aislantes y la estabilidad del silicio completamente oxigenado son clave para garantizar el rendimiento y la confiabilidad del chip. Por el contrario, la alta conductividad del silicio no oxidado lo hace importante en escenarios donde se requiere una conductividad eficiente, como en ciertas estructuras de transistores específicas.

Además, la estabilidad química del silicio no perovskita le permite mantener su rendimiento en entornos hostiles, mientras que el silicio no perovskita es más ventajoso en aplicaciones que requieren una conductividad muy alta y condiciones ambientales relativamente buenas.

En la producción de silicio metálico, los dos procesos de oxigenación y desoxigenación tienen cada uno sus propias ventajas únicas y son adecuados para diferentes necesidades de producción y escenarios de aplicación.

Eliminación de impurezas altamente eficiente: el proceso de oxigenación puede eliminar de forma rápida y eficaz impurezas como el hierro y el aluminio.metal de siliciomediante reacciones redox. En comparación con el proceso no-oxigenado, la eficiencia de eliminación de impurezas se puede aumentar en un 40%-60%, lo que permite que la pureza del silicio alcance más del 99,5%, sentando las bases para la producción de materiales de silicio de alta calidad.

Eficiencia de producción mejorada: se introduce oxígeno en el proceso de fundición, lo que promueve el calentamiento uniforme del silicio fundido y mejora en gran medida la uniformidad de la temperatura del horno. Esto no solo ayuda a acortar el ciclo de fundición en un 20%-30%, sino que también mejora la tasa de utilización del equipo de producción, que es muy adecuado para la producción industrializada a gran escala.

Optimización de las propiedades del material: El proceso de oxigenación tiene un efecto positivo en la estructura cristalina del cuerpo de silicio, mejorando la integridad de la estructura cristalina y mejorando así las propiedades físicas y químicas del silicio.

Simple y fácil de controlar: el proceso libre de oxígeno-utiliza arena de cuarzo y carbón vegetal como materias primas para la reducción de altas-temperaturas, lo que elimina la necesidad de procesos complejos de alimentación de oxígeno y redox y simplifica el proceso de producción en más de un 50 %. Esto hace que el proceso sea menos difícil de operar y más fácil de controlar, lo que es especialmente adecuado para la producción a pequeña escala-.

Ahorro de energía y reducción del consumo: dado que el proceso-libre de oxígeno no consume una gran cantidad de oxígeno, tiene una ventaja obvia en términos de costos de energía. También se pueden evitar los costes adicionales de equipo y seguridad asociados con el uso de oxígeno.

Excelente potencial de alta pureza: el proceso de no-oxigenación tiene una ventaja natural en la preparación de silicio metálico de alta-pureza. Mediante destilación multi-etapa, fusión por zonas y otros medios de purificación posteriores, la pureza del silicio se puede aumentar al 99,9%-99,9999%, lo que cumple con los estrictos requisitos de los semiconductores, la energía fotovoltaica y otros campos de alta gama sobre la pureza del material.

Industria metalúrgica (desoxidación y aleación)

Fabricación de acero, fundición: como desoxidante (como ferrosilicio, sílice cálcica-desoxidante compuesto de aluminio), a través de la reacción entre el silicio y el oxígeno para generar dióxido de silicio (SiO₂) para reducir el contenido de oxígeno en el acero y, al mismo tiempo, como elemento de aleación para regular el rendimiento del acero (por ejemplo, para mejorar la resistencia y la dureza).

Producción de hierro fundido: se utiliza en el tratamiento del embarazo, promueve la grafitización y mejora las propiedades mecánicas del hierro fundido (como dureza, resistencia al desgaste).

Aditivos de aleación de aluminio: silicio La aleación de aluminio que contiene óxido de silicio se agrega en la fundición de aluminio para regular la fluidez y la resistencia del líquido de aluminio.

Industria química (preparación de compuestos de silicio)

Producción de silicato de sodio (vidrio soluble): se utiliza arena de cuarzo que contiene óxido de silicio como materia prima y se hace reaccionar con sosa cáustica para producir silicato de sodio, que se utiliza en la fabricación de adhesivos, detergentes y refractarios.

Preparación de productos intermedios de silicona: refinar silicio industrial a través de minerales que contienen óxido de silicio (como el cuarzo) y luego sintetizar productos de silicona como aceite de silicona, caucho de silicona, etc. (pero el requisito de pureza es menor que el del silicio de grado semiconductor-).

Refractarios y Cerámicas

Ladrillos refractarios y materiales para hornos: utilizando las características de alto punto de fusión del dióxido de silicio (SiO₂), fabricamos materiales refractarios resistentes a altas-temperaturas- para su uso en hornos metalúrgicos, hornos de vidrio y otros equipos de alta-temperatura.

Materias primas cerámicas: utilizadas como componente de piezas en bruto o esmaltes para mejorar la dureza y la estabilidad química de la cerámica.

Libre de óxido-metal de silicio(contenido de oxígeno muy bajo, la pureza suele ser mayor o igual al 99,9 %) se utiliza principalmente en información electrónica, nueva energía, fabricación de alta-y otros campos que requieren una pureza muy alta.

Aleaciones-de alta gama y materiales especiales

Aleaciones aeroespaciales: se utilizan en la preparación de aleaciones de silicio y aluminio de alta-pureza (como componentes de motores aero-), para mejorar el peso ligero y la resistencia a la corrosión del material.

Cerámicas y revestimientos especiales: se utiliza como materia prima para cerámicas de precisión (por ejemplo, cerámicas de nitruro de silicio) o para materiales de revestimiento de alta-temperatura (por ejemplo, revestimientos de siliciuro para mejorar la resistencia a la oxidación del metal).

Industria de semiconductores y electrónica

Fabricación de chips: el silicio semiconductor-de alta-pureza (pureza del 99,999999999 % o más, denominado "silicio 9N") se convierte en obleas de silicio mediante el proceso de extracción, corte, fotolitografía, etc. del cristal, que es el sustrato central de los circuitos integrados (CPU, memoria, etc.).

Industria fotovoltaica (solar)

Paneles solares: El polisilicio de alta pureza (pureza del 99,999 % o más) se convierte en lingotes/barras mediante procesos de fundición o extracción de cristales, y se corta en células fotovoltaicas para convertir la energía luminosa en electricidad.

En conclusión, la diferencia entre el silicio oxigenado y no oxigenado, cada uno con sus propias propiedades únicas, determina su idoneidad en diferentes campos y escenarios de aplicación, proporcionando una variedad de opciones para el desarrollo de las industrias modernas de electrónica y semiconductores.