Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения



Скачать 353.17 Kb.
страница1/4
Дата29.10.2012
Размер353.17 Kb.
ТипКурсовая
  1   2   3   4
Курсовая работа на тему:

Оптимизация нового метода получения

чистого кремния.

Подготовили: Побережный Даниил

Субботин Дмитрий

Руководитель: Гудилин Е.А.

г.Москва. СУНЦ МГУ

2012г.

Введение

Тема получения поликристаллического кремния методом алюминотермии актуальна тем, что предусматривает рассмотрение нового метода получения поликристаллического кремния без больших затрат материальных и временных ресурсов. Продукт, произведенный этим методом, может стать дешевым сырьем для дальнейшей переработки.

Эта работа нова тем, что использует самый простой, ранее незадействованный метод получения чистого кремния.

В дальнейшем, в рамках работы будет получен требуемый продукт – поликристаллический кремний, методом восстановления диоксида кремния алюминием.

Задачи работы:

  1. Анализ современных методов получения кремния;

  2. Оптимизация нового метода получения конечного продукта.

Кремний как элемент.

Кремний в природе.

По распространенности в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). На долю кремния приходится 27,7% массы земной коры. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов. Среди них каолинит Al4[Si4O10](OH)8, топаз Al2(SiO4)Fe2, алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, минералы глин и др.). Широко распространен и кремнезем, или оксид кремния (IV) - SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12% земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается. В виде SiO2 кремний входит также в состав растительных и животных организмов.

Химические и физические свойства кремния.

Кремний (Silicium) Si, химический элемент IV группы периодической системы Д.И.Менделеева, атомный номер 14, атомная масса 28,0855. Состоит из трех стабильных изотопов (92,27%), (4,68%) и (3,05%). Конфигурация внешней электронной оболочки атома кремния - ; степень окисления кремния - +4 как наиболее устойчивая, а так же +3, +2 и +1. Атомный радиус -0,133, ионный радиус - 0,040 нм с координационным числом 4, и 0,054 нм с координационным числом 6), ковалентный радиус равен 0,1175 нм.

Компактный кремний - вещество серебристо-серого цвета с металлическим блеском.
Кристаллическая решетка устойчивой модификации кубической гранецентрированной, типа алмаза. (см. Приложение № 1.) При высоких давлениях существуют другие полиморфные модификации: при 20 ГПа - кремний I с тетрагональной решеткой, выше 20 ГПа - кремний II с кубической решеткой и кремний III с гексагональной решеткой. При обычных условиях кремний хрупок, а при температуре выше 800 °С становится пластичным. Электрофизические свойства кремния зависят от природы и концентрации присутствующих примесей и структурных дефектов. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью используют легирующие добавки В, Al, Ga, In, с электронной проводимостью - Р, As, Sb. Примеси Аu, Сu, Fe, Mn, V и некоторые другие существенно снижают время жизни носителей тока в монокристаллах кремния. Максимальная растворимость примесей в кремнии наблюдается при температуре в 1200-1300 °С. Электрические свойства кремния могут сильно изменяться при термической обработке. Так, нагревание монокристаллов, содержащих кислород, до 400-500 °С приводит к увеличению электронной проводимости, а при последовательном нагревании до 1000-1200 °С этот эффект пропадает. Обычно термическая обработка приводит к существенному снижению времени жизни носителей тока.

При низких температурах кремний химически инертен, но при нагревании его реакционная способность резко возрастает. Особенно активен расплавленный кремний. Координационное число атома кремния 4, иногда 6, например, во фторосиликатах, содержащих анион . Соединения, где кремний формально двухвалентен, по-видимому, содержат связь Si—Si и, как правило, полимерны. Благодаря образующейся на поверхности защитной оксидной пленке кремний устойчив на воздухе даже при повышенных температурах. Аморфный кремний обладает способностью растворять значительные количества различных газов, прежде всего Н2. При этом образуется твердый раствор c содержанием водорода до 47 %, называемый l-Si:H, который обладает полупроводниковыми свойствами. С азотом выше при температуре 1000 °С кремний образует кремния нитрид Si3N4, с фосфором - фосфид SiP, с мышьяком - арсениды SiAs2 и SiAs, с углеродом - кремния карбид SiC, с бором - термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. С большинством металлов дает тугоплавкие высокотвердые силициды.

Биологические свойства кремния.

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·% кремния, костная ткань — 17·%, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния не ядовиты, но вдыхание высокодисперсных частиц, как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов крайне опасно. Микрочастицы SiO2, попавшие в легкие, в них кристаллизуются, а возникающие кристаллики разрушают легочную ткань и вызывают тяжелую болезнь — силикоз.

История применения

Природные соединения кремния - двуокись кремния (кремнезема) - известны очень давно. Древние хорошо знали горный хрусталь, или кварц, а также драгоценные камни, представляющие собой окрашенный в разные цвета кварц (аметист, дымчатый кварц, халцедон, хризопраз, топаз, оникс и др.) Из кремния в доисторические времена делали первые каменные орудия - наконечники для стрел и копий, скребки, огнива. На протяжении 5 веков кремень использовали для поджога пороха в ружьях и пушках, т.к. при ударах кресала о кремень высекалась долгоживущая искра. Есть доказательства, что воины Александра Македонского, уходя в поход, должны были иметь при себе мешочек, наполненный кремнем, на этом же настаивал и Петр I. Оба полководца знали о свойствах кремния очищать воду. На Руси кремнем было принято выкладывать дно колодцев с целью очистки воды. Применение соединений кремния, связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось еще в Древнем Египте около 3000 лет до н. э.

Название силиций или кизель (Kiesel, кремень) было предложено Берцелиусом. Еще ранее Томсон предложил название силикон (Silicon), принятое в Англии и США, по аналогии с борон (Boron) и карбон (Carbon). Слово силиций (Silicium) происходит от силика (кремнезем); окончание "а" было принято в XVIII и XIX вв. для обозначения земель (Silica, Aluminia, Thoria, Terbia, Glucina, Cadmia и др.). В свою очередь слово силика связано с лат. Silex (крепкий, кремень).

Русское название кремний происходит от древнеславянских слов кремень, кремык, крепкий, кресмень, кресати (ударять железом о ремень для получения искр) и др. В русской химической литературе начала XIX в. встречаются названия «кремнезем» (Захаров, 1810), «силиций» (Соловьев, Двигубский, 1824), «кремень» (Страхов, 1825), «кремнистость» (Иовский, 1827), «кремнеземий» и «кремний» (Гесс, 1831).

Элементарный кремний был получен лишь в XIX в., хотя попытки разложить кремнезем предпринимались еще Шееле и Лавуазье, Дэви (с помощью Вольтова столба), Гей-Люссаком и Тенаром (химическим путем). Берцелиус, стремясь разложить кремнезем, нагревал его в смеси с железным порошком и углем до 1500° С и получил при этом ферросилиций. Лишь в 1823 г. при исследованиях соединений плавиковой кислоты, в том числе SiF4, он получил свободный аморфный кремний ("радикал кремнезема") взаимодействием паров фтористого кремния и калия. Сент Клер-Девилль в 1855 г. получил кристаллический кремний.

Применение кремния в современной промышленности.

На сегодняшний день кремний получил широкое распространение во многих областях промышленности.

Технический кремний находит применения как сырьё для металлургических производств. Его используют в качестве компонента сплавов (бронзы, силумин); раскислителя при выплавке чугуна; модификатора свойств металлов или легирующего элемента, например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей увеличивает коэрцитивную силу (размагничивающее внешнее магнитное поле) готового продукта.

Так же технический кремний используется как сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния.

Кремний - сырьё для производства кремнийорганических материалов (соединений, в молекулах которых имеется связь между атомами кремния и углерода) и силанов.

Иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом – ферросилиций, используется для производства водорода в полевых условиях. Кремний растворяется в горячем растворе щелочи с выделением водорода: Si + 4NaOH = Na4SiO4 + 2H2.

Сверхчистый кремний используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем.

Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде поликристаллов являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.

Получили также широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Рост кристаллов

Большинство способов получения чистого кремния связано с получением поли- или монокристаллов.

Причины и условия образования кристаллов

Материальные частицы (атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные или жидкие (расплавленные) вещества, обладая высокой кинетической энергией, находятся в непрерывном движении. Время от времени они сталкиваются, образуя зародыши – микроскопические фрагменты будущей структуры. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобы зародыш достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетически более выгодным, чем его распад. Такая возможность для большинства веществ проявляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются температурные колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к возникновению зародышей.

Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшие кристаллические частицы – зародыши – достигают макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются не только переохлаждение и повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но и присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации.

Процесс кристаллизации является энергетически выгодным. Растущий кристалл не принимает равновесную форму вследствие того, что на него влияют различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура, давление, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т.д.

Механизмы роста кристаллов

В конце XIX в. американским физиком Дж. Гиббсом (1839-1903), французским физиком П. Кюри и русским кристаллографом Г.В. Вульфом на термодинамической основе была разработана количественная теория зарождения и роста кристаллов. Несколько позже, в 20-х гг. XX в., немецким физиком М. Фольмером (1885-1965) была выдвинута теория самопроизвольного зарождения кристаллов и их роста.

Вслед за термодинамическим учением Гиббса в 1927 году наибольшее признание получили теоретические работы немецкого физико-химика В.Косселя (1888 – 1956) и болгарского физика И.Н. Странского (1897 - 1979), положившие начало молекулярно-кинетической теории роста кристаллов. Они рассмотрели рост идеального кристалла (лишенного дефектов, неизбежных в реальных кристаллах) при незначительном перенасыщении без учета несовершенств реальных кристаллов и влияния среды кристаллизации. Эта теория объяснила явление послойного роста кристаллов с позиций атомно-молекулярного состояния поверхности растущего кристалла, опираясь на энергетическую выгодность присоединения отдельных частиц вещества в различные позиции на свободной от дефектов поверхности кристаллов.

В процессе роста возникают либо атомно-гладкие, либо атомно-шероховатые грани. Атомно-гладкие грани растут путем послойного отложения вещества и остаются в процессе роста макроскопически плоскими. Такой рост называется тангенциальным или послойным. При этом скорость роста разных граней будет различна. В итоге кристаллы будут расти в виде многогранника.

Кристаллы с атомно-шероховатыми гранями могут присоединять частицы с макроскопической точки зрения практически в любой точке поверхности. Такой рост называется нормальным. При этом скорости роста граней кристалла в разных направлениях будут примерно одинаковы и кристаллы приобретут округлые формы. Рост на атомно-шероховатых плоскостях и торцах ступеней требует лишь потенциальных барьеров для встраивания отдельных атомов или молекул. Рост же атомно-гладких поверхностей требует еще и образования ступеней, т.е. для роста каждого нового слоя необходимо появление на поверхности нового зародыша, а это не всегда возможно из-за недостатка пересыщения. В этом случае рост происходит лишь путем движения уже имеющихся ступеней. Таким образом, первый процесс с энергетической точки зрения оказывается более выгодным.

Кроме того, грани реальных кристаллов практически никогда не бывают идеальны. На их поверхности всегда имеются нарушения – дефекты, благодаря которым возникают винтовые и краевые дислокации. Нарастание граней происходит по спирали путем навивания одного слоя на другой. И такой рост может происходить при сколько угодно малых пересыщениях и даже из паров. Дислокации, следовательно, являются непрерывно действующим источником возникновения слоев и снимают необходимость появления на поверхности растущей грани двухмерных зародышей.

Формы роста кристаллов

Монокристаллы бывают совершенно разных форм и размеров (см. Приложение №2), но при различных отклонениях от идеальных условий кристаллизации (например, в вязких, загрязненных или сильно пересыщенных средах) вырастают экзотические образования. Опыт показывает, что при малых пресыщениях и переохлаждениях на фронте роста возникают совершенные – гранные – формы кристаллов. С увеличением отклонения от равновесия кристаллы меняют свой облик, превращаясь в скелеты, дендриты (от греч. Дендрон – дерево), нитевидные образования или кристаллы сферической формы. Указанные формы различаются тем, что скелетные кристаллы – это монокристаллы, а дендриты – чаще всего поликристаллические образования.
  1   2   3   4

Похожие:

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа «Проектирование вычислительной системы»
Данная контрольно-курсовая работа выполняется с целью закрепления знаний по курсу «Организация ЭВМ и систем» и получения практических...
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему: singapoure

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по дисциплине: «Сети ЭВМ и телекоммуникации» на тему:

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему: " факторинг во внутренней и международной деятельности. "
Охватывает всего платежного оборота поставщика
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по дисциплине «экономическая география»
На тему «Экономический и природно-ресурсный потенциал Франции и его использование»
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа Определение эйлерова пути на Прологе Халипский Сергей Николаевич Специальность: 230105
Ваша курсовая работа обладает недостатком, что не позволяет считать ее выполненной
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconТеория транспортных сетей
В своей курсовой работе я рассматриваю тему «Транспортные сети». Моя курсовая работа состоит из следующих разделов
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по теме учение нового завета об отношении к власти
«…кто возвышает себя, тот унижен будет…» (Мф. 23: 11-12; Мк. 9: 35, 10: 42-44; Лк. 22: 25-27,14: 11,18: 14,9: 48) 11
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему
Целью данной работы является анализ товарной и географической структуры международной торговли, а также изучение современных тенденций...
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа студентки II курса отиПЛа Востриковой Наталии на тему
Охватывает объект целиком’ (при единичном референте объекта) и объектного дистрибутива ‘действие p последовательно затрагивает много...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org