很难夸大了当今社会对半导体的依赖。从心脏起搏器高超音速导弹,智能手机的电动摩托车,半导体材料是现代计算的基本构建块。亚博网站下载的年度生产设备,利用这些材料现在超过1万亿年,它们的有效回收从未更相关。亚博网站下载
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半导体材料的导电性介于绝缘体亚博网站下载和导体。他们可能是元素,比如硅(Si)和锗(Ge),或化合物,如砷化镓(砷化镓)或碳化硅(SiC)。他们在进步技术将不可估量的影响力能够控制他们的行为,故意将杂质引入他们的晶体结构,称为掺杂。
半导体器件在本质上可能是离散的,如晶体管和二极管或高度相互关联,在一系列的电子电路表面扩散到半导体材料的薄片,称为晶圆,形成一个集成电路(IC)。
他们是如何产生的?
无论最终的应用这些设备,半导体材料的化学纯度有效运行是至关重要的。硅、使用最广泛的材料自1950年代以来,需要精炼的最低纯度99.9999%用亚博网站下载于太阳能电池和99.9999999%用于ICs。
这通常是通过一个多步骤合成和纯化过程:天然的减碳热还原的氧化物(SiO2(如石英),转换成挥发性硅化合物(如三氯甲硅烷)、蒸馏、分解生成高纯度硅元素,和区域精炼(巴伦,2021)。只有这样,当杂质水平是十亿分之几范围,硅可以融化,掺杂,进行晶体生长过程(如Czochralski方法)最终实现所需的单晶材料。
其他半导体原材料必须遵循同样复杂的合成和纯化过程亚博网站下载之前,可用于制造半导体器件。
制造阶段根据不同设备问题;ICs例如,通常进行屏蔽(保护选择性的晶片区域使用光致抗蚀剂膜),光刻(晶片暴露在紫外线传输设计到电影),蚀刻(删除退化电影揭示目标模式),离子实现(掺杂模式通过与离子轰击材料),和金属化(创建单独的金属互连设备)。
循环经济的必要性
自然丰富的硅半导体制造业的规模经济,并与电子有关的立法不足的许多因素可能隐藏的真正需要循环经济方法嵌入到半导体行业。这是最近才变得明显的紧迫性在持续的全球芯片短缺。
全球电子垃圾的监测显示,在2019年产生5360万吨电子垃圾,只有17.4%被正式记录正确收集和回收。这代表了一个潜力巨大的采购二级原材料(包括半导体),减少高污染排放的合成和纯化过程与处女原材料,在垃圾填埋场和减少有害物亚博网站下载质。
回收方法
回收半导体通常是一个复杂的、昂贵的和污染过程,通常支持发展中国家的剥削和危险的劳动实践。但这种情况正在改变。巨大的努力已经放在可持续发展和有效的过程,可以用于广泛的半导体器件。
太阳能电池板:
超过90%的基于晶体硅太阳能电池板。传统的回收方法来提取这种半导体依赖高毒性和腐蚀性化学物质如氢氟酸。今天,然而,许多环保的替代品也大行其道。
Bogust和史密斯(2020)显示,物理回收方法,在这种情况下组成的浸没在液氮热解和机械检查,使回收率88%的晶体硅粒子粉碎太阳能电池板。yabo214拉赫曼et al。(2021)表明,类似的回收率是可能的使用对环境友好的化学方法,可以加上一个球磨过程给纳米硅在身用于电池电极时。
Punathil et al。(2021)表明,可持续发展和环保回收方法也可以提取足够的纯度被重用的硅半导体设备。
集成电路:
ICs的复杂成分意味着回收方法尤其艰难,方法开发的复苏通常关心金银等贵重金属组件。
然而,半导体材料已经被一些回收方法的重点。亚博网站下载詹et al .,(2020)发明了一种环保、高效hydrothermal-buffering GaAs-based ICs的回收技术,实现镓和砷回收率分别为95.5%和99.9。这项工作可能更相关的假设吸收GaAs-based ICs的挑战要求5 g和互联网等新技术的东西。
二极管:
尤其是回收的二极管,发光二极管(led),也是证明日益受欢迎的练习由于它们包含关键原材料(如镓、铟和稀土元素),和他们可以在垃圾填埋场浸出的有害金属(铅和砷等)。亚博网站下载
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发光二极管可以包含砷化镓、氮化镓(GaN),或磷化镓(GaP)半导体材料取决于所需的光色。亚博网站下载奥利维拉et al。(2021)表明,这些材料的回收策略根据不同出席,但强调了湿法冶金过程的一般优势(金属的提取基于反应在水介质)。亚博网站下载
晶体管:
中包含的半导体大规模离散晶体管目前不回收由于这些设备的包装和大小。
然而,去年杜克大学的研究人员开发了第一个完全可回收的晶体管。打印设备制造从导电(石墨烯),半导体(碳纳米管),绝缘(纳米纤维素)油墨。回收以碳为基础的设备很简单,需要一个超声波清洗器和离心机。石墨烯和碳纳米管与回收率超过95%,然后再打印就可以使用另一个设备。
引用和进一步阅读
巴伦,。,2021年。电子化学材料亚博网站下载。MiDAS绿色创新。https://www.alibris.co.uk/Chemistry-of-Electronic-亚博网站下载Materials-Andrew-Barron/book/49727639
Bogust、p和史密斯,Y。,2020年。物理分离和富集的临终光伏面板材料:利用温度波动和粒子的形状。亚博网站下载JOM72 (7),pp.2615 - 2623。https://www.proquest.com/docview/2420726761
沙丘,我。,2021年。以碳为基础的墨水做第一个完全可回收的晶体管。(在线)物理世界。可以在:<https://www.亚博老虎机网登录sciencedaily.com/releases/2021/04/210426140908.htm>
堡垒,V。巴尔德,C。Kuehr, r·贝尔,G。,2020年。2020年全球电子监控。波恩:联合国大学/联合国训练研究所和研究。https://collections.unu.edu/view/UNU: 7737
奥利维拉,R。Benvenuti, j·埃斯皮诺萨,D。,2021年。审查目前的回收技术的进展和稀土元素镓发光二极管。可再生能源和可持续能源的评论,145年,p.111090。https://ideas.repec.org/a/eee/rensus/v145y2021ics1364032121003786.html
Punathil, L。Mohanasundaram, K。Tamilselavan, K。、Sathyamurthy r和Chamkha,。,2021年。恢复处理的纯硅和其他材料的太阳能电池。亚博网站下载国际期刊的Photoenergy,2021年,pp.1-4。https://www.hindawi.com/journals/ijp/2021/5530213/
拉赫曼,M。、Mateti年代。Sultana,我。侯,C。王卫东,。齐泽克,P。、Glushenkov陈a, Y。,2021年。生命结束优先车道光伏回收硅:电子行业的可持续循环材料来源。亚博网站下载先进能源和可持续性研究2 (11),p.2100081。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aesr.202100081
尹,。,2021年。5 g和AIoT需要新的半导体材料亚博网站下载。(在线)5 g技术世界。可以在:<https://www.5gtechnologyworld.com/5g-and-aiot-will-need-new-semiconductor-亚博网站下载materials/>
詹,L。张,Y。艾哈迈德,Z和徐,Z。,2020年。小说回收技术从刮砷化镓集成电路中恢复。ACS可持续的化学和工程,8 (7),pp.2874 - 2882。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.9b07006
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