السيليكون يُعد ثاني أكثر العناصر وفرةً على الأرض بعد الأكسجين. وفرته وانخفاض تكلفته تجعله من أكثر المواد غير العضوية توفرًا. في ظل التطورات التكنولوجية المعاصرة، يُمكن للمواد النانوية أن تُحسّن خصائص السيليكون المختلفة بشكل كبير. وهذا يُتيح تطبيقات واسعة في مواد الأنود القائمة على السيليكون، والخلايا الكهروضوئية، والتلألؤ، والطب الحيوي، وغيرها من المجالات. يشير السيليكون النانوي إلى جسيمات السيليكون على المقياس النانوي. يتميز مسحوق السيليكون النانوي بنقاء عالٍ، وحجم صغير. حجم الجسيماتوتوزيعه موحد. كما يتميز بمساحة سطح كبيرة، ونشاط سطحي عالٍ، وكثافة منخفضة. المنتج غير سام وعديم الرائحة. حاليًا، تشمل الطرق الرئيسية لتحضير مسحوق السيليكون النانوي الطحن الكروي الميكانيكي. المواد الكيميائية الترسيب البخاري (CVD)، وتكثيف تبخر البلازما.
ميكانيكي طحن الكرات طريقة
تتضمن هذه الطريقة دورانًا ميكانيكيًا وتفاعلًا بين الجسيمات، مما يُولّد ضغط طحن ميكانيكيًا وقوة قص. تُطحن مواد السيليكون الأكبر حجمًا إلى مسحوق نانوي. تستخدم هذه العملية عادةً طحن الرمل الرطب مع التجفيف بالرش. تُضاف مواد مساعدة في الطحن أثناء عملية الطحن، كما تتطلب إجراءات ما بعد المعالجة. يبلغ حجم جزيئات السيليكون النانوية الناتجة حوالي 100 نانومتر، ويمكن تقليل هذا الحجم إلى 75-80 نانومتر. يعتقد خبراء الصناعة أنه قبل زيادة حجم مادة أنود السيليكون والكربون، سيكون تحسين سلسلة العمليات والمعدات في عملية طحن الكرات أمرًا أساسيًا. سيساعد هذا في تحقيق أفضل توازن بين أداء المنتج وتكلفته.
طريقة الترسيب الكيميائي للبخار
يستخدم الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) السيلان (SiH4) كمادة تفاعل. ويُستخدم لإنتاج مسحوق السيليكون النانوي. وحسب مصدر الطاقة المستخدم لتحفيز التحلل الحراري لـ SiH4، يمكن تقسيم الترسيب الكيميائي للبخار إلى ترسيب كيميائي للبخار مُحسَّن بالبلازما (PECVD)، وترسيب كيميائي للبخار مُستحث بالليزر (LICVD)، ومفاعلات الطبقة المميعة (FBR). ومن بين هذه التقنيات، تُعد تقنيتا PECVD وLICVD أكثر تقنيات الإنتاج الصناعي استخدامًا لمسحوق السيليكون النانوي.
طريقة تكثيف التبخر البلازمي
استُخدمت هذه الطريقة في العقد الماضي لإنتاج مساحيق عالية النقاء، فائقة الدقة، كروية، وعالية القيمة المضافة. إنها طريقة آمنة وفعالة. تُستخدم مصادر حرارة البلازما لتبخير المادة الخام إلى ذرات غازية أو جزيئات أو أيونات متأينة جزئيًا. ثم يتم تكثيفها بسرعة إلى مسحوق صلب. هذه الطريقة مناسبة لإعداد مواد نانوية معدنية مختلفة. كما أنها مثالية للمواد النانوية من الكربيد والنتريد. يتميز مسحوق السيليكون النانوي المنتج بهذه الطريقة بنقاء عالٍ وحجم جسيمات يمكن التحكم فيه وكفاءة إنتاج عالية. إنها التكنولوجيا السائدة التي تستخدمها الشركات المصنعة الأجنبية الرائدة. ومع ذلك، فإن طرحها في الصين كان متأخرًا نسبيًا. لا يزال البحث في هذا المجال في مراحله الأولى. لا تزال هناك تحديات في مجالات مثل البحث النظري الأساسي ودراسات أداء الجسيمات النانوية. كما لا تزال هناك مشكلات تتعلق بالعائد ومعدل الإنتاج. لم يتم التحكم بشكل كامل في إنتاج مسحوق السيليكون النانوي عالي الأداء بشكل مستقل في الصين.
مواد الأنود القائمة على السيليكون
في السنوات الأخيرة، ركز التطور السريع لبطاريات الليثيوم على مواد أنود السيليكون. تُعدّ مواد أنود السيليكون مكونًا أساسيًا لبطاريات الليثيوم عالية الكثافة الطاقية من الجيل القادم. ومع ذلك، يتعرض السيليكون لتمدد حجمي كبير أثناء عملية الليثيوم. يتطلب هذا التمدد تحسين المادة الفعالة للحفاظ على عمليات السبائك العكسية وإزالة السبائك. يمنع هذا التحسين تفتت المادة الفعالة أو تدهورها. لذلك، يمكن أن تحقق أنودات السيليكون النانوية استقرارًا طويل الأمد في الأداء، على عكس أنودات السيليكون التقليدية ذات الحجم الميكروني.
مجال الخلايا الكهروضوئية
يُستخدم السيليكون النانوي في إنتاج الجيل الثاني من الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون. وتحديدًا، يُستخدم في خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون الميكروبلوري. تتميز تقنية الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون النانوي بمزايا فريدة مقارنةً بتقنيات الجيل الثاني الأخرى المعتمدة على السيليكون. ومع ذلك، لا يزال تحضير السيليكون النانوي وتطبيقه في الخلايا الكهروضوئية غير مكتمل. وتتمتع الخلايا الكهروضوئية من الجيل الثاني بحصة سوقية منخفضة نسبيًا، وهي ليست التقنية السائدة بعد.
يُستخدم السيليكون النانوي البلوري عالي النقاء في صناعة معجون إلكتروني سيليكوني. يُطلى هذا المعجون على سطح ركائز الخلايا الشمسية، مما يُعزز كفاءة تحويل الخلايا الشمسية السيليكونية. وقد أصبح هذا توجهًا مهمًا في صناعة الطاقة الشمسية.
مجال الإضاءة
بالتحكم في قطر جسيمات السيليكون النانوية، يُمكن تحقيق انبعاث كامل الطيف من الضوء الأزرق إلى الأحمر. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن دعم الإضاءة الكهربائية المُتحكّم بها كهربائيًا.
مجال الطب الحيوي
بفضل سُميتها المنخفضة وتوافقها الحيوي، لعبت المواد الحيوية القائمة على السيليكون دورًا محوريًا في الطب الحيوي. منذ عام ٢٠٠١، استُخدمت جسيمات السيليكون النانوية متوسطة المسام ببراعة كناقلات لتوصيل الأدوية. وشهدت المواد النانوية القائمة على السيليكون عديمة الأبعاد تطورًا واسعًا في التطبيقات الطبية الحيوية. على سبيل المثال، طُوّرت نقاط الكم السيليكونية ذات التوافق الحيوي الجيد كمسبارات تصوير بيولوجية جديدة. وقد استُلهم هذا من خصائص التوهج الضوئي لنقاط الكم شبه الموصلة الناتجة عن تأثيرات الاحتجاز الكمي.
تطبيقات أخرى
بالإضافة إلى التطبيقات المذكورة أعلاه، يُستخدم السيليكون النانوي في تحضير مقومات عالية القدرة، وترانزستورات عالية القدرة، وثنائيات، وأجهزة تبديل، وأجهزة أشباه الموصلات المنفصلة، وأجهزة الطاقة، والدوائر المتكاملة، والركائز الفوقية. كما يُستخدم كمادة خام للطلاءات عالية الحرارة، والمواد المقاومة للحرارة والتآكل والكهرباء الساكنة. عند خلط السيليكون النانوي تحت ضغط عالٍ مع الماس، يُكوّن مواد مركبة من كربيد السيليكون والماس. تُستخدم هذه المواد في أدوات القطع. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم السيليكون النانوي في تحضير حديد الزهر عالي السيليكون، وفولاذ السيليكون، ومختلف مركبات السيليكون العضوي.
مسحوق ملحمي
تُعدّ حلول الطحن المتطورة التي تقدمها شركة Epic Powder رائدةً في عملية إنتاج السيليكون النانوي. ومن خلال دمج معدات عالية الأداء، مثل مطاحن الكرات وأجهزة تصنيف الهواء، تضمن Epic Powder الدقة اللازمة لإنتاج السيليكون النانوي مع توزيع مثالي لحجم الجسيمات ونقاء مثالي. وسواءً تم استخدامها في أنودات بطاريات الليثيوم المتقدمة، أو الخلايا الكهروضوئية، أو التطبيقات الطبية الحيوية، فإن معدات الطحن المُخصصة من Epic Powder تُساعد في تعظيم كفاءة الإنتاج مع تقليل استهلاك الطاقة. ومن خلال البحث والتطوير المُستمر، تُساهم Epic Powder في التقدم العالمي لتطبيقات السيليكون النانوي. وتُقدم الشركة دعمًا أساسيًا لتحقيق أفضل أداء بأسعار مُناسبة.