Siliziumpulver ist eine feinkörnige Form von Silizium, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Möglichkeiten in vielen Branchen weit verbreitet ist. Dieses pulverförmige kristalline Silizium bietet gegenüber Silizium in loser Schüttung Vorteile wie einfache Handhabung, Verarbeitung und Integration in Endprodukte.
Überblick über Siliziumpulver
Siliziumpulver hat viele Namen: kristallines Siliziumpulver, Polysiliziumpulver, Siliziumpulver für die Halbleiterindustrie, Siliziumpulver für die Solarindustrie, Siliziumpulver für die Metallurgie und vieles mehr. Im Großen und Ganzen lassen sich Siliziumpulver nach Reinheitsgrad, Materialeigenschaften, Produktionsverfahren, Partikelgrößenbereichen und Anwendungen einteilen.
Der Siliziumgehalt der Pulver kann von 98 % reiner Halbleitersiliziumqualität für die Elektronik über 95 % Solarsiliziumqualität für die Photovoltaik bis hin zu 90 % metallurgischer Qualität für Legierungselemente reichen. Auch die Größe der Pulverpartikel ist sehr unterschiedlich und reicht von groben Partikeln im Mikrometerbereich bis zu ultrafeinen Partikeln im Nanometerbereich.
Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaften und die Zusammensetzung einiger gängiger Arten von Siliciumpulvern beschrieben:
| Typ | Reinheit | Partikelgröße | Produktionsverfahren |
|---|---|---|---|
| Halbleiterqualität | 99.999999% | 1-100 μm | Chemische Gasphasenabscheidung |
| Solartauglich | 99.9999% | 1-100 μm | Metallurgisches Verfahren |
| Metallurgische Qualität | 98-99% | 1-500 μm | Metallurgisches Verfahren |
| Nanoskala | 99%+ | 1-100 nm | Gas Phase Synthesis |
Die große Auswahl an Siliziumpulver ermöglicht es, viele verschiedene Anwendungen in den Bereichen Elektronik, Solarzellen, Metalle, Keramik, Polymere und mehr zu bedienen.
Eigenschaften von Silizium-Pulver
Die einzigartigen Eigenschaften von Silizium machen seine pulverförmigen Formen im Vergleich zu anderen Metallpulvern für spezielle Anwendungen nützlich.
Einige bemerkenswerte Eigenschaften sind:
- Halbleitend – Reines Siliziumpulver hat halbleitende Eigenschaften, die für die Mikroelektronik entscheidend sind
- Fotovoltaik – Wandelt Sonnenlicht aufgrund halbleitender Eigenschaften um
- Reaktiv Silicium bildet leicht Verbindungen mit Sauerstoff, Halogenen, Metallen usw.
- Härte – Silizium hat eine Mohs-Härte von 6,5 bis 7, härter als die meisten Metalle
- Oxidationsbeständigkeit – Bildet bei Oxidation eine schützende Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche
- Thermischer Widerstand – Hoher Schmelzpunkt von 1414°C macht Silizium hitzebeständig
- Ungiftig – Chemisch inert und sicher für viele medizinische Anwendungen
Diese Eigenschaften verleihen Siliziumpulver Aufgaben, die von der Verbesserung der mechanischen Festigkeit in Legierungen über die Bereitstellung elektrisch leitfähiger Pfade in Batterien bis hin zur Absorption von UV-Strahlen in Kosmetika reichen.
Produktionsmethoden für Silizium-Pulver
Silizium kommt in der Natur aufgrund seiner Reaktivität nicht in seiner reinen elementaren Form vor. Es kommt in der Natur in Form von Siliciumdioxid oder Silicatverbindungen vor. Die kommerzielle Herstellung von Siliziumpulver erfordert daher die Verarbeitung natürlicher Mineralien und chemischer Ausgangsstoffe.
Es gibt zwei große Kategorien von Verfahren zur Herstellung von Siliziumpulver:
- Metallurgische Prozesse Die chemische Reduktion von Siliziumdioxid bei hohen Temperaturen unter Verwendung von Kohlenstoff- oder Wasserstoffgas. Dabei wird Silizium mit geringerem Reinheitsgrad gewonnen, das für metallurgische und solare Anwendungen geeignet ist.
- Chemische Gasphasenabscheidung Zersetzt reaktive Siliziumhydrid-/Halogenid-Gasmoleküle in ultrafeines Siliziumpulver. Ergibt ultrahochreines Pulver für die Elektronik.
Nachstehend finden Sie weitere Einzelheiten zu diesen Methoden:
| Methode | Prozess | Typische Reinheit | Skalierbarkeit |
|---|---|---|---|
| Metallurgie | Reduktion von Kieselsäure mit Kohlenstoff/Wasserstoff bei 1800-2000°C | 95-99% | Hohe Tonnageleistung |
| Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) | Gasmoleküle zersetzten sich bei ~1100°C auf Substraten | 99.9999999% | Geringere Leistung für Elektronik |
| Gas Phase Synthesis | Reaktionen von Silan/Chlorsilan-Gasen bei 300-1500°C | Bis zu 99,9999% | Mäßige Tonnageleistung |
Die optimale Produktionstechnik hängt von den gewünschten Materialqualitäten und den Spezifikationen der Endanwendung ab.
Anwendungen von Silizium-Pulver
Die vielseitigen pulverförmigen Siliziumformen dienen einer Vielzahl von Anwendungen in Branchen wie Elektronik, Photovoltaik, Chemie, Metallurgie, Polymere und anderen.
Im Folgenden werden einige der beliebtesten Anwendungen von Siliziumpulvern aufgeführt:
| Industrie | Anwendungen |
|---|---|
| Elektronik | Halbleiter, integrierte Schaltungen, Transistoren |
| Solar-Photovoltaik | Solarmodule, Zellen, Blöcke |
| Metallurgie | Legierungselement, Desoxidationsmittel |
| Keramik | Siliziumkarbid, Siliziumnitrid |
| Polymere | Füllstoffe für Harze, Kunststoffe, Gummi |
| Chemikalien | Silikone, Silane, pyrogene Kieselsäure |
Für die Anwendungen werden Siliziumpulver mit unterschiedlicher Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, spezifischer Oberfläche, Klopfdichte/Schüttdichte und weiteren Parametern verwendet.
Spezifikationen für Silizium-Pulver
Für die Verwendung in der Elektronik bestimmte Siliziumpulver unterliegen sehr strengen Reinheits- und Gleichmäßigkeitsspezifikationen, die für Mikrofertigungsprozesse geeignet sind. Typische Parameter sind unten aufgeführt:
| Parameter | Typische Spezifikation |
|---|---|
| Si-Gehalt | > 99,9999999% |
| Metallverunreinigungen (jeweils) | <1 pptw |
| Bor, Phosphor | <0.05 pptw |
| Sauerstoff | < 5 ppbw |
| Kohlenstoff | < 1 ppbw |
| Partikelgrößenverteilung | Durchschnitt ~50 μm |
| Zapfstellendichte | 1,1 g/cc |
Die Spezifikationen für metallurgisches Silizium und Solarsiliziumpulver sind lockerer, da keine ultrahohe Reinheit erforderlich ist.
Lieferanten von Siliziumpulver
Da Silizium weltweit einer der wichtigsten industriellen Werkstoffe ist, gibt es eine große Zahl etablierter Unternehmen und Spezialhersteller, die Siliziumpulver produzieren.
Einige der wichtigsten globalen Anbieter sind:
- REC Silicon – Führender Lieferant für die Halbleiter-, Solar- und Elektronikindustrie
- Ferroglobe – Metallurgische und solare Siliziumpulver
- Elkem – Großer Hersteller von metallurgischen Siliziumlegierungen
- Dow Chemicals – Ultrafeine amorphe Silizium-Pulver
- Amerikanische Elemente – Breites Spektrum an Siliziumreinheiten/-morphologien
Die Preisgestaltung hängt stark von der Dynamik der Marktnachfrage/des Marktangebots und dem Reinheitsgrad des Materials ab. Einige typische Preisspannen sind:
| Klasse | Preisgestaltung |
|---|---|
| Si-Pulver in Halbleiterqualität | 80-150 $ pro kg |
| Si-Pulver in Solarqualität | 15-30 $ pro kg |
| Si-Pulver in metallurgischer Qualität | 5-15 $ pro kg |
Pro und Kontra von Silizium-Pulver
Einige Vor- und Nachteile der Verwendung von Silicium in Pulverform statt als Schüttgut:
| Profis | Nachteile | |
|---|---|---|
| Benutzerfreundlichkeit | Fließfähig, suspendierbar, komprimierbar | Neigung zur Aggregation im Laufe der Zeit |
| Verarbeitung | Leicht in Flüssigkeiten oder Schmelzen zu integrieren | Oxidations-/Kontaminationsrisiken |
| Kinetik | Schnelle Reaktionen aufgrund der großen Oberfläche | Es können auch Nebenreaktionen auftreten |
| Reinheit | Höchste Reinheitsgrade erzielbar | Geringere Gesamtreinheit als Bulk-Si |
| Kosten | Kleine Mengen sind erschwinglich | Scale-up auf große Mengen teuer |
Die Wahl hängt von der Abwägung der Prioritäten für die jeweilige Anwendung ab.
FAQ
| Fragen | Antworten |
|---|---|
| Welche verschiedenen Qualitäten von Siliziumpulver gibt es? | Die wichtigsten Qualitäten sind Halbleiterqualität (Reinheit 9N+), Solarqualität (6N+), metallurgische Qualität (5N) und nanoskaliges Pulver. |
| Welche Partikelgröße ist für Siliziumpulver am besten geeignet? | Eine Größe von 1-100 μm ist üblich. Kleineres Nanopulver unter 100 nm bietet einzigartige Eigenschaften. |
| Welche Eigenschaften von Siliziumpulver machen es im Vergleich zu losem Silizium nützlich? | Hohe spezifische Oberfläche, Fließfähigkeit, Integration in Verbundwerkstoffe/Legierungen, Abstimmung der elektrischen/optischen Eigenschaften, kontrollierte Pulvermorphologie. |
| Was sind die typischen Verunreinigungsgrenzwerte für Siliziumpulver in Halbleiterqualität? | Sauerstoff unter 5 ppbw, Kohlenstoff unter 1 ppbw, metallische Verunreinigungen unter 1 pptw und Dotierstoffgehalt unter 0,05 pptw. |
| Welche Vorsichtsmaßnahmen sind beim Umgang mit Silikonpulver erforderlich? | Vermeiden Sie den Kontakt mit Feuchtigkeit und Sauerstoff. In inerten Behältern lagern. Staubmasken verwenden, da Nanopartikel eine Gefahr für die Atemwege darstellen können. |
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Siliziumpulver deutliche Vorteile bei der einfachen Verarbeitung, der Vielseitigkeit der Anwendungen, der Abstimmbarkeit der Materialeigenschaften und der ultrahohen Reinheit bietet. Angesichts innovativer Produktionsmethoden, sich ändernder Anforderungen der Industrie und einer erweiterten Verwendung in neuen Technologien wird Siliziumpulver auch in Zukunft ein wichtiger und wachsender Werkstoff sein.