Kovový kremík je sivý, lesklý polovodičový kov, ktorý sa používa na výrobu ocele, solárnych článkov a mikročipov. Kremík je druhý najrozšírenejší prvok v zemskej kôre (za kyslíkom) a ôsmy najbežnejší prvok vo vesmíre. Takmer 30 percent hmotnosti zemskej kôry možno pripísať kremíku.
Tento prvok s atómovým číslom 14 sa prirodzene vyskytuje v silikátových mineráloch, ako je oxid kremičitý, živec a sľuda, ktoré sú hlavnými zložkami bežných hornín, akými sú kremeň a pieskovec. Kremík, polokov (alebo metaloid), má niektoré vlastnosti kovov aj nekovov.
Rovnako ako voda, ale na rozdiel od väčšiny kovov sa kremík v tekutom stave zmršťuje a pri stuhnutí expanduje. Má relatívne vysoké teploty topenia a varu a po kryštalizácii vytvára diamantovú kubickú kryštálovú štruktúru. Atómová štruktúra kremíka, ktorá obsahuje štyri valenčné elektróny, ktoré umožňujú ľahkú väzbu kremíka s inými prvkami, je rozhodujúca pre jeho funkciu polovodiča a jeho použitie v elektronike.
Vlastnosti
Atómový symbol: Áno
Atómové číslo: 14
Kategória prvku: Metaloid
Hustota: 2 329 g/cm3
Teplota topenia: 2577 stupňov F (1414 stupňov)
Bod varu: 5909 stupňov F (3265 stupňov)
Mohova tvrdosť: 7
Výroba
Väčšina kremíka, ktorý sa každoročne rafinuje, asi 80 percent, sa vyrába ako ferosilícium na použitie pri výrobe železa a ocele. Ferrosilicon môže obsahovať 15 až 90 percent kremíka, v závislosti od potrieb zlievarne.
Zliatina železa a kremíka sa vyrába v ponornej elektrickej oblúkovej peci redukčným tavením. Ruda bohatá na oxid kremičitý a zdroj uhlíka, ako je koksovateľné uhlie (metalurgické uhlie), sa drvia a vkladajú do pece spolu so šrotom.
Pri teplotách nad 1900 stupňov (3450 stupňov F) uhlík reaguje s kyslíkom prítomným v minerále a vytvára plynný oxid uhoľnatý. Zvyšné železo a kremík sa medzitým spoja a vytvoria roztavené ferosilikium, ktoré je možné zhromaždiť poklepaním na dno pece. Po ochladení a vytvrdnutí môže byť ferosilícium odoslané a použité priamo pri výrobe železa a ocele.
Rovnaká metóda, s výnimkou železa, sa používa na výrobu kremíka metalurgickej kvality s čistotou vyššou ako 99 percent. Metalurgický kremík sa používa aj pri odlievaní ocele, ako aj pri výrobe hliníkových zliatin a silánových chemikálií.
Metalurgický kremík je klasifikovaný podľa úrovní nečistôt železa, hliníka a vápnika prítomných v zliatine. Napríklad kovový kremík 553 obsahuje menej ako 0,5 percenta každého z kovov, železa a hliníka, a menej ako 0,3 percenta vápnika.
Každý rok sa na celom svete vyrobí asi 8 miliónov ton ferosilicia, pričom Čína predstavuje asi 70 percent tohto celkového množstva. Medzi hlavných výrobcov patria Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials a Elkem.
Ročne sa vyrobí ďalších 2,6 milióna ton metalurgického kremíka, teda asi 20 percent z celkového rafinovaného kovového kremíka. Čína opäť predstavuje približne 80 percent tejto produkcie. Pre mnohých je prekvapením, že solárne a elektronické typy kremíka tvoria len malé množstvo (menej ako dve percentá) z celej výroby rafinovaného kremíka. Ak chcete prejsť na kovový kremík (polysilikón) solárnej kvality, čistota sa musí zvýšiť na viac ako 99,9999 percent (6N) čistého kremíka. Robí sa to jednou z troch metód, najbežnejšou je Siemens proces.
Siemensov proces zahŕňa chemické nanášanie pár prchavého plynu známeho ako trichlórsilán. Trichlórsilán sa fúka pri 1150 stupňoch (2102 stupňov F) na silikónové zárodky vysokej čistoty namontované na konci tyče. Pri prechode cez ňu sa kremík vysokej čistoty v plyne ukladá na semeno.
Reaktor s fluidným lôžkom (FBR) a kremíková technológia vylepšenej metalurgickej kvality (UMG) sa tiež používajú na modernizáciu kovu na polysilikón vhodný pre fotovoltaický priemysel. V roku 2013 sa vyrobilo 230.000 ton polysilikónu. Hlavnými výrobcami sú GCL Poly, Wacker-Chemie a OCI.
Nakoniec, aby bol kremík elektronickej kvality vhodný na použitie v polovodičovom priemysle a určitých fotovoltaických technológiách, musí byť polykremík prevedený na ultračistý monokryštalický kremík pomocou Czochralského procesu. Na tento účel sa polysilikón roztaví v tégliku pri teplote 1425 stupňov (2597 stupňov F) v inertnej atmosfére. Zárodočný kryštál namontovaný na tyči sa potom ponorí do roztaveného kovu a pomaly sa otáča a odstraňuje, čím sa nechá kremík narásť v materiáli zárodku.
Výsledným produktom je tyčinka (alebo hrudka) monokryštalického kremíkového kovu, ktorý môže dosiahnuť 99,999999999 (11N) percent čistoty. Táto tyč môže byť podľa potreby dopovaná bórom alebo fosforom, aby sa upravili kvantovo mechanické vlastnosti. Monokryštalická tyč môže byť dodávaná zákazníkom tak, ako je, alebo narezaná na doštičky a leštená alebo textúrovaná pre konkrétnych používateľov.
Aplikácie
Hoci sa každý rok zušľachťuje asi desať miliónov metrických ton ferosilicia a kremíkového kovu, väčšina komerčne používaného kremíka je vo forme kremíkových rúd, ktoré sa používajú pri výrobe všetkého od cementu, malty a keramiky až po sklo a polyméry.
Ferosilícium, ako už bolo uvedené, je najpoužívanejšou formou kovového kremíka. Od svojho prvého použitia asi pred 150 rokmi zostal ferosilícium dôležitým deoxidačným činidlom pri výrobe uhlíkovej a nehrdzavejúcej ocele. Odlievanie ocele dnes zostáva najväčším spotrebiteľom ferosilicia.
Ferosilicium má však okrem výroby ocele aj iné využitie. Ide o predzliatinu pri výrobe ferosilicia horčíka, peletizéra používaného na výrobu tvárnej liatiny, ako aj počas procesu Pidgeon na rafináciu vysoko čistého horčíka. Ferrosilicon možno použiť aj na výrobu žiaruvzdorných a korózii odolných zliatin železného kremíka, ako aj kremíkovej ocele, ktorá sa používa pri výrobe elektromotorov a jadier transformátorov.
Metalurgický kremík možno použiť v oceliarskom priemysle a ako legovací prostriedok v zlievarstve hliníka. Hliníkovo-kremíkové (Al-Si) automobilové diely sú ľahšie a pevnejšie ako odliatky z čistého hliníka. Automobilové diely, ako sú bloky motorov a ráfiky, sú jedny z najrozšírenejších odlievaných hliníkovo-kremíkových dielov.
Takmer polovica metalurgického kremíka sa používa v chemickom priemysle na výrobu siliky (zahusťovadlo a sušidlo), silánov (spojovacie činidlo) a silikónu (tesniace hmoty, lepidlá a mazivá). Polysilikón fotovoltaickej kvality sa primárne používa pri výrobe polysilikónových solárnych článkov. Na výrobu jedného megawattu solárnych modulov je potrebných asi päť ton polysilikónu.
V súčasnosti predstavuje polysilikónová solárna technológia viac ako polovicu solárnej energie vyrobenej na svete, zatiaľ čo monokremíková technológia prispieva asi 35 percentami. Celkovo 90 percent slnečnej energie využívanej ľuďmi zbiera technológia na báze kremíka.
Monokryštálový kremík je tiež základným polovodičovým materiálom v modernej elektronike. Ako substrátový materiál používaný pri výrobe tranzistorov s efektom poľa (FET), LED diód a integrovaných obvodov sa kremík nachádza prakticky vo všetkých moderných počítačoch, mobilných telefónoch, tabletoch, televízoroch, rádiách a iných komunikačných zariadeniach. Odhaduje sa, že viac ako tretina všetkých elektronických zariadení obsahuje polovodičovú technológiu na báze kremíka.
Nakoniec, tvrdozliatina karbidu kremíka sa používa v širokej škále elektronických a neelektronických aplikácií, ako sú syntetické šperky, vysokoteplotné polovodiče, tvrdá keramika, rezné nástroje, brzdové kotúče, brúsivá atď. nepriestrelné vesty a vykurovacie telesá.
