Silikon
Silikon merupakan elemen terbanyak kedelapan di alam semesta dari segi massanya, tetapi sangat jarang ditemukan dalam bentuk murni di alam. Silikon paling banyak terdistribusi pada debu, pasir, planetoid, dan planet dalam berbagai bentuk seperti silikon dioksida atau silikat. Lebih dari 90% kerak bumi terdiri dari mineral silikat, menjadikan silikon sebagai unsur kedua paling melimpah di kerak bumi (sekitar 28% massa) setelah oksigen.
Silikon sering digunakan untuk membuat serat optik dan dalam operasi plastik digunakan untuk mengisi bagian tubuh pasien dalam bentuk silikone.
Silikon dalam bentuk mineral dikenal pula sebagai zat kersik.
Sebagian besar silikon digunakan secara komersial tanpa dipisahkan, terkadang dengan sedikit pemrosesan dari senyawanya di alam. Contohnya adalah pemakaian langsung batuan, pasir silika, dan tanah liat dalam pembangunan gedung. Silika juga terdapat pada keramik. Banyak senyawa silikon modern seperti silikon karbida yang dipakai dalam pembuatan keramik berdaya tahan tinggi. Silikon juga dipakai sebagai monomer dalam pembuatan polimer sintetik silikone.
Unsur silikon juga berperan besar terhadap ekonomi modern. Meski banyak silikon digunakan pada proses penyulingan baja, pengecoran aluminium, dan beberapa proses industri kimia lainnya, sebagian silikon juga digunakan sebagai bahan semikonduktor pada elektronik-elektronik. Karena penggunaannya yang besar pada sirkuit terintegrasi, dasar dari komputer, maka kelangsungan teknologi modern bergantung pada silikon.
Silikon juga merupakan elemen esensial pada biologi, meskipun hanya dibutuhkan hewan dalam jumlah amat kecil. Beberapa jenis makhluk hidup yang membutuhkannya antara lain jenis porifera dan mikroorganisme jenis diatom. Silikon digunakan untuk membuat struktur tubuh mereka.
Silikon berbentuk padat pada suhu ruangan, dengan titik lebur dan titik didih masing-masing 1.400 dan 2.800 derajat celsius. Yang menarik, silikon mempunyai massa jenis yang lebih besar ketika dalam bentuk cair dibanding dalam bentuk padatannya. Tapi seperti kebanyakan substansi lainnya, silikon tidak akan bercampur ketika dalam fase padatnya, tetapi hanya meluas, sama seperti es yang memiliki massa jenis lebih kecil daripada air. Karena mempunyai konduktivitas thermal yang tinggi (149 W·m·K), silikon bersifat mengalirkan panas sehingga tidak pernah dipakai untuk menginsulasi benda panas.
Dalam bentuk kristalnya, silikon murni berwarna abu-abu metalik. Seperti germanium, silikon agak kuat tetapi sangat rapuh dan mudah mengelupas. Seperti karbon dan germanium, silikon mengkristal dalam struktur kristal kubus berlian, dengan jarak kisi 0,5430710 nm (5.430710 Å).
Orbital elektron terluar dari silikon mempunyai 4 elektron valensi. Kulit atom 1s,2s,2p, dan 3s terisi penuh, sedangkan kulit atom 3p hanya terisi 2 dari jumlah maksimumnya 6.
Silikon bersifat semikonduktor.
Silikon merupakan metaloid, siap untuk memberikan atau berbagi 4 atom terluarnya, sehingga memungkinkan banyak ikatan kimia. Meski silikon bersifat relatif inert seperti karbon, silikon masih dapat bereaksi dengan halogen dan alkali encer. Kebanyakan asam (kecuali asam nitrat dan asam hidrofluorat) tidak bereaksi dengan silikon. Silikon dengan 4 elektron valensinya mempunyai kemungkinan untuk bergabung dengan elemen atau senyawa kimia lainnya pada kondisi yang sesuai.
Silikon yang eksis di alam terdiri dari 3 isotop yang stabil, yaitu silikon-28, silikon-29, dan silikon-30, dengan silikon-28 yang paling melimpah (92% kelimpahan alami). Out of these, only silicon-29 is of use in NMR and EPR spectroscopy. Dua puluh radioisotop telah diketahui, dengan silikon-32 sebagai yang paling stabil dengan paruh waktu 170 tahun dan silikon-31 dengan waktu paruh 157,3 menit. Sisa isotop radioaktif lainnya mempunyai paruh waktu kurang dari 7 detik dan kebanyakan malah kurang dari 0,1 detik. Silikon tidak mempunyai isomer nuklir.
Isotop dari silikon mempunyai nomor massa berkisar antara 22 sampai 44. Bentuk peluruhan paling umum dari 6 isotop yang nomor massanya dibawah isotop paling stabil (silikon-28) adalah , utamanya membentuk isotop aluminium (13 proton) sebagai produk peluruhannya. Untuk 16 isotop yang nomor massanya diatas 28, bentuk peluruhan paling umumnya adalah , utamanya membentuk isotop fosfor (15 proton) sebagai produk peluruhan.
Jika diukur berdasarkan massanya, silikon membentuk 27,7% massa kerak bumi dan merupakan unsur kedua yang paling melimpah di kerak bumi setelah oksigen. Silikon biasanya ditemukan dalam bentuk mineral silikat yang kompleks, dan lebih jarang lagi dalam bentuk silikon dioksida (silika, komponen utama pada pasir). Kristal silikon murni amat sangat jarang ditemukan di alam.
Mineral silikat- berbagai macam mineral yang terdiri dari silikon, oksigen, dan berbagai logam reaktif—membentuk 90% massa kerak bumi. Hal ini dikarenakan suhu panas pada proses pembentukan sistem tata surya, silikon dan oksigen mempunyai afinitas yang besar satu sama lain, sehingga membentuk senyawa kimia. Karena oksigen dan silikon adalah unsur non-gas dan non-logam terbanyak pada puing supernova, mereka membentuk banyak silikat kompleks yang kemudian bergabung ke batuan planetesimal yang membentuk planet kebumian. Disini, mstriks mineral silikat yang tereduksi menangkap logam-logam yang reaktif untuk teroksidasi (aluminium, kalsium, natrium, kalium, dan magnesium). Setelah gas-gasnya lepas, campuran silikat ini kemudian membentuk sebagian besar kerak bumi. Karena silikat-silikat ini bermassa jenis rendah, baja, nikel, dan logam non-reaktif lainnya masuk ke dalam inti bumi, sehingga menyisakan magnesium dan silikat besi di lapisan atas.
Beberapa contoh mineral silikat yang ada di kerak bumi antara lain kelompok piroksena, amfibol, mika, dan feldspar. Mineral-mineral ini terdapat pada tanah liat dan beberapa jenis batuan seperti granit dan batu kapur.
Silika terdapat pada mineral-mineral yang terdiri dari silikon dioksida murni dengan bentuk kristal yang berbeda-beda: quartz, agate ametis, rock crystal, chalcedony, flint, jasper, dan opal. Kristal-kristal ini memiliki rumus empiris silikon dioksida, tetapi tidak terdiri dari molekul-molekul silikon dioksida. Silika secara struktur mirip dengan berlian, terdiri daripadatan kristal tiga dimensi yang terdiri dari silikon dan oksigen. Silika yang tidak murni membentuk kaca alam obsidian. Silika biogenik ada pada struktur diatom, radiolaria dan "siliceous sponge".
Silikon juga merupakan komponen utama meteorit, dan merupakan komponen dari tektit, mineral silikat yang mungkin berasal dari bulan.
Ferrosilikon, campuran silikon-besi yang terdiri dari unsur silikon dan besi dengan rasio yang berbagai macam, merupakan produk utama dari proses pengolahan unsur silikon, dengan persentase 80% dari seluruh produksi dunia. China merupakan negara pemasok silikon terbesar di dunia, dengan jumlah 4,6 juta ton (atau 2/3 produksi dunia), kebanyakan dalam bentuk ferrosilikon. Disusul kemudian oleh Rusia (610.000 ton), Norwegia (330.000 ton), Brasil (240.000 ton), dan Amerika Serikat (170.000 ton). Ferrosilikon paling banyak digunakan oleh industri baja.
Campuran aluminium-silikon paling banyak digunakan dalam industri pengecoran aluminium, dengan silikon sebagai bahan aditif tunggal utama untuk meningkatkan kekuatan cornya. Karena aluminium cor paling banyak digunakan pada industri otomotif, maka penggunaan silikon ini adalah penggunaan industri tunggal terbesar dari silikon murni "metallurgical grade".
Silikon tidaklah dicampur dengan unsur-unsur lain dalam jumlah besar, biasanya lebih dari 95% disebut dengan logam silikon. Logam silikon ini jumlahnya 20% dari total produksi elemen silikon dunia, dengan kurang dari 1-2% dari total elemen silikon (5–10% dari silikon "metallurgical grade") yang dimurnikan lagi untuk digunakan pada semikonduktor. Silikon "metallurgical grade" adalah silikon yang dibuat secara komersial dengan mereaksikan silika dengan kayu, arang, dan batu bara pada sebuah perapian listrik menggunakan elektroda karbon. Pada suhu lebih dari , karbon dari bahan-bahan tadi dan silikon akan mengalami reaksi kimia SiO + 2 C → Si + 2 CO. Silikon cair ada di bagian dasar tungku, yang kemudian dialirkan dan didingingkan. Silikon yang diproduksi melalui proses ini disebut silikon "metallurgical grade" dengan tingkat kemurnian paling kecil 98%. Dalam metode ini, silikon karbida (SiC) juga dapat terbentuk karena adanya karbon berlebih dengan reaksi kimia: SiO + C → SiO + CO atau SiO + 2 C → SiC + CO. Meski begitu, jika konsentrasi SiO tinggi, maka silikon karbida dapat dieliminasi dengan reaksi kimia 2 SiC + SiO → 3 Si + 2 CO.
Seperti yang telah dikatakan diatas, silikon, "metallurgical grade" digunakan pada umumnya di industri pengecoran aluminium untuk membentuk campuran aluminium-silikon. Sisanya, digunakan oleh industri kimia untuk membentuk bubuk silika.
Sampai bulan September 2008, silikon "metallurgical grade" dihargai 1,45 US$ per pound ($3.20/kg), naik dari $0,77 per pound ($1.70/kg) pada tahun 2005.
Penggunaan silikon untuk peralatan semikonduktor membutuhkan kemurnian yang jauh lebih tinggi daripada silikon "metallurgical grade". Silikon sangat murni (>99.9%) dapat diekstraksi daripadatan silika atau senyawa silika lainnya dengan elektrolisis molten salt. Metode ini, yang sudah dikenal paling tidak dari tahun 1854 (lihat juga proses FFC Cambridge), punya potensi untuk memproduksi silikon solar-grade tanpa emisi karbon dioksida.
Silikon solar-grade tidak dapat digunakan untuk semikonduktor, karena tingkat kemurniannya harus sangat tinggi. Wafer silikon yang digunakan sebagai bahan baku "integrated circuit" harus dimurnikan sampai 99.9999999%, proses yang membutuhkan teknologi tinggi.
Sebagian besar kristal silikon yang digunakan untuk produksi alat elektronik didapatkan dari proses Czochralski (CZ-Si) karena metode ini merupakan metode termurah saat ini dan dapat menghasilkan kristal yang besar, meski masih mengandung pengotor.
Teknik pemurnian silikon generasi awal didasarkan pada fakta apabila silikon dicairkan dan dipadatkan kembali, maka material yang terakhir memadat kebanyakan merupakan pengotornya. Metode awal untuk memurnikan silikon, pertama kali tahun 1919, digunakan untuk memproduksi komponen radar selama Perang Dunia II, dibuat dengan menghancurkan silikon "metallurgical grade " dan melarutkan sebagian bubuk silikon pada asam. Ketika dihancurkan, pengotor-pengotor yang terdapat pada silikon terkumpul di lapisan paling luar, sehingga jika terkena asam akan larut kembali dan menghasilkan produk silikon yang lebih murni.
Pada suatu waktu, DuPont memproduksi silikon ultra-murni dengan mereaksikan silikon tetraklorida dengan seng pada 950 °C, dihasilkan silikon melalui SiCl + 2 Zn → Si + 2 ZnCl. Meskipun begitu, teknik ini memiliki masalah lain, (misalnya produk samping berupa seng klorida yang dihasilkan yang menyumbat) sehingga akhirnya ditemukan proses Siemens. Pada "proses Siemens", atang silikon dengan kemurnian tinggi direaksikan dengan triklorosilana pada 1150 °C. Gas triklorosilana terdekomposisi dan dan tambahan silikon tersimpan dan memperbesar karena 2 HSiCl → Si + 2 HCl + SiCl. Silikon yang diproduksi dari proses ini disebut "Silikon polikristalin". Silikon ini mempunyai tingkat pengotor kurang dari satu ppb ("part per billion").
Tahun 2006 REC mengumumkan bahwa mereka membangun pabrik berbasis teknologi "fluidized bed" (FB) yang menggunakan silana: 3 SiCl + Si + 2 H → 4 HSiCl, 4 HSiCl → 3 SiCl + SiH, SiH → Si + 2 H. Keuntungan proses teknologi fluid bed adalah proses dapat berlangsung kontinu dengan hasil lebih banyak daripada proses Siemens yang merupakan proses batch.
Saat ini, silikon dimurnikan dengan mengubahnya menjadi senyawa silikon yang lebih mudah dimurnikan dengan distilasi daripada pada kondisi awalnya, dan lalu mengubah kembali senyawa silikon tersebut menjadi silikon murni. Triklorosilana adalah senyawa silikon yang umumnya digunakan sebagai intermediate, juga silikon tetraklorida dan silana.
Selain itu, ada juga "proses Schumacher", yang menggunakan tribromosilana sebagai pengganti triklorosilana dan teknologi fluid bed. Meski begitu, sampai saat ini belum ada pabrikan besar yang memproduksi silikon dengan proses ini.Sebagian besar senyawa silikon digunakan di industri tanpa dipisahkan menjadi elemennya. Lebih dari 90% kerak bumi terdiri dari mineral silikat yang merupakan senyawa silikon dan oksigen. Banyak dari mineral ini digunakan langsung, seperti tanah liat, pasir silika, dan berbagai jenis batuan untuk bangunan. Silika juga menjadi bahan utama batu keramik. Silikat digunakan dalam pembuatan semen Portland yang digabung dengan pasir silika dan gravel untuk membentuk beton, basis hampir semua bangunan industri modern saat ini.
Elemen silikon ditambahkan pada besi cor menjadi ferrosilikon atau silikokalsium untuk meningkatkan kemampuan pada bagian yang tipis dan menghindari pembentukan sementit ketika terkena udara luar. Produksi ferrosilikon pada industri baja adalah 80% dari total penggunaan silikon dunia.
Karakteristik silikon itu sendiri dapat digunakan untuk memodifikasi paduan logam. Campuran silikon pada alumnium cor membentuk campuran eutektik yang memadat dengan kontraksi termal sangat kecil. Silikon juga meningkatkan kekerasan aluminium. Silikon merupakan komponen penting pada baja listrik karena mempengaruhi resistivitas dan feromagnetiknya.
Silikon "metallurgical grade" adalah silikon dengan kemurnian 95-99%. Sekitar 55% konsumsi silikon "metallurgical grade" dunia adalah untuk memproduksi logam paduan aluminium-silikon untuk pengecoran aluminium yang banyak digunakan untuk industri otomotif. Sisanya digunakan oleh industri kimia untuk pembuatan fumed silica, silana, dan silikone.
Karena hampir semua elemen silikon diproduksi sebagai paduan logam ferrosilikon, hanya sebagian kecil saja (20%) yang diproduksi menjadi silikon "metallurgical grade" (1,3–1,5 juta metrik ton/tahun). Logam silikon yang dimurnikan sampai kemurnian semikonduktor diperkirakan hanya 15% dari produksi silikon "metallurgical grade". Meskipun begitu, nilai ekonomi dari silikon semikonduktor ini sangat tinggi.
Silikon monokristalin murni digunakan untuk memproduksi wafer silikon yang digunakan pada industri semikonduktor, elektronik, dan juga perangkat photovoltaic. Dalam konduksi muatan, silikon murni adalah semikonduktor intrinsik yang berarti ia dapat mengonduksi lubang elektron dan elektron dapat dilepaskan dari atom melalui pemanasan, maka meningkatkan konduktivitas listrik silikon dengan suhu tinggi. Silikon murni memiliki konduktivitas yang terlalu rendah untuk digunakan pada komponen elektronik. Pada praktiknya, silikon murni didoping dengan elemen lain dengan konsentrasi kecil sehingga meningkatkan konduktivitasnya secara drastis. Kontrol penambahan elemen lain ini sangat penting dan umumnya diaplikasikan di transistor, sel solar, detektor semikonduktor dan perangkat semikonduktor lainnya.