Silikon logam adalah logam semikonduktor abu-abu mengkilap yang digunakan untuk membuat baja, sel surya, dan microchip. Silikon adalah unsur paling melimpah kedua di kerak bumi (di belakang hanya oksigen) dan kedelapan paling umum di alam semesta. Hampir 30 persen dari berat kerak bumi dapat dikaitkan dengan silikon.
Unsur dengan nomor atom 14 ini terjadi secara alami dalam mineral silikat seperti silika, feldspar dan mika, yang merupakan komponen utama dari batuan umum seperti kuarsa dan batu pasir. Silikon, semimetal (atau metalloid), memiliki beberapa sifat baik logam maupun nonlogam.
Seperti air, tetapi tidak seperti kebanyakan logam, silikon berkontraksi dalam keadaan cair dan mengembang saat membeku. Ini memiliki titik leleh dan titik didih yang relatif tinggi, dan ketika mengkristal membentuk struktur kristal kubik berlian. Struktur atom silikon, yang mencakup empat elektron valensi yang memungkinkan silikon mudah berikatan dengan elemen lain, sangat penting untuk fungsinya sebagai semikonduktor dan penggunaannya dalam elektronik.
Properti
Simbol Atom: Ya
Nomor atom: 14
Kategori Elemen: Metaloid
Kepadatan: 2,329g/cm3
Titik lebur: 2577 derajat F (1414 derajat)
Titik didih: 5909 derajat F (3265 derajat)
Kekerasan Moh: 7
Produksi
Sebagian besar silikon yang dimurnikan setiap tahun, sekitar 80 persen, diproduksi sebagai ferrosilicon untuk digunakan dalam pembuatan besi dan baja. Ferrosilicon dapat mengandung antara 15 dan 90 persen silikon, tergantung pada kebutuhan pengecoran.
Paduan besi-silikon diproduksi dalam tungku busur listrik terendam menggunakan peleburan reduksi. Bijih yang kaya silika dan sumber karbon seperti batubara kokas (batubara metalurgi) dihancurkan dan dimasukkan ke tungku bersama dengan skrapnya.
Pada suhu di atas 1900 derajat (3450 derajat F), karbon bereaksi dengan oksigen yang ada dalam mineral, membentuk gas karbon monoksida. Besi dan silikon yang tersisa, sementara itu, bergabung membentuk ferro-silikon cair, yang dapat dikumpulkan dengan mengetuk bagian bawah tungku. Setelah didinginkan dan dikeraskan, ferrosilicon dapat dikirim dan digunakan langsung dalam pembuatan besi dan baja.
Metode yang sama, tidak termasuk besi, digunakan untuk menghasilkan silikon tingkat metalurgi dengan kemurnian lebih besar dari 99 persen. Silikon metalurgi juga digunakan dalam pengecoran baja, serta dalam pembuatan paduan aluminium cor dan bahan kimia silan.
Silikon metalurgi diklasifikasikan berdasarkan tingkat pengotor besi, aluminium dan kalsium yang ada dalam paduan. Misalnya, silikon logam 553 mengandung kurang dari 0,5 persen masing-masing logam, besi dan aluminium, dan kurang dari 0,3 persen kalsium.
Sekitar 8 juta ton ferro-silikon diproduksi di seluruh dunia setiap tahun, dengan Cina menyumbang sekitar 70 persen dari total ini. Produsen utama termasuk Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials dan Elkem.
2,6 juta ton silikon metalurgi lainnya diproduksi setiap tahun, yaitu sekitar 20 persen dari total silikon metalurgi yang dimurnikan. Cina, sekali lagi, menyumbang sekitar 80 persen dari produksi ini. Kejutan bagi banyak orang adalah bahwa nilai silikon surya dan elektronik hanya menyumbang sejumlah kecil (kurang dari dua persen) dari semua produksi silikon yang dimurnikan. Untuk beralih ke silikon logam tingkat surya (polisikon), kemurniannya harus meningkat hingga lebih besar dari 99,9999% (6N) silikon murni. Ini dilakukan dengan salah satu dari tiga metode, yang paling umum adalah proses Siemens.
Proses Siemens melibatkan deposisi uap kimia dari gas yang mudah menguap yang dikenal sebagai triklorosilan. Trichlorosilane ditiup pada 1150 derajat (2102 derajat F) ke biji silikon kemurnian tinggi yang dipasang di ujung batang. Saat melewatinya, silikon dengan kemurnian tinggi dalam gas diendapkan pada benih.
Reaktor unggun fluida (FBR) dan teknologi silikon kelas metalurgi yang disempurnakan (UMG) juga digunakan untuk meningkatkan logam menjadi polisilikon yang sesuai untuk industri fotovoltaik. Pada tahun 2013, 230.000 ton polisilikon diproduksi. Produsen utama adalah GCL Poly, Wacker-Chemie dan OCI.
Akhirnya, agar silikon tingkat elektronik cocok untuk digunakan dalam industri semikonduktor dan teknologi fotovoltaik tertentu, polisilikon harus diubah menjadi silikon monokristalin ultra murni menggunakan proses Czochralski. Untuk melakukan ini, polisilikon dilebur dalam wadah pada 1425 derajat (2597 derajat F) dalam atmosfer inert. Sebuah kristal benih dipasang pada batang kemudian direndam dalam logam cair dan perlahan-lahan diputar dan dihapus, memberikan waktu bagi silikon untuk tumbuh dalam bahan benih.
Produk yang dihasilkan adalah batang (atau boule) dari logam silikon kristal tunggal yang dapat mencapai kemurnian 99,999999999 (11N) persen. Batang ini dapat didoping dengan boron atau fosfor, sesuai kebutuhan, untuk memodifikasi sifat mekanika kuantum. Batang monokristalin dapat dikirim ke pelanggan apa adanya, atau dipotong menjadi wafer dan dipoles atau bertekstur untuk pengguna tertentu.
Aplikasi
Meskipun sekitar sepuluh juta metrik ton ferosilikon dan logam silikon dimurnikan setiap tahun, sebagian besar silikon yang digunakan secara komersial dalam bentuk bijih silikon, yang digunakan dalam pembuatan segala sesuatu mulai dari semen, mortar dan keramik, hingga kaca dan polimer.
Ferrosilicon, sebagaimana dicatat, adalah bentuk silikon metalik yang paling banyak digunakan. Sejak pertama kali digunakan sekitar 150 tahun yang lalu, ferrosilicon tetap menjadi agen deoksidasi penting dalam produksi karbon dan baja tahan karat. Saat ini, pengecoran baja tetap menjadi konsumen ferosilikon terbesar.
Namun, ferrosilicon memiliki kegunaan lain selain membuat baja. Ini adalah paduan awal dalam produksi magnesium ferrosilicon, pelet yang digunakan untuk memproduksi besi ulet, serta selama proses Pidgeon untuk menghaluskan magnesium dengan kemurnian tinggi. Ferrosilikon juga dapat digunakan untuk membuat paduan silikon besi tahan panas dan korosi, serta baja silikon, yang digunakan dalam pembuatan motor listrik dan inti transformator.
Silikon metalurgi dapat digunakan dalam industri baja dan sebagai agen paduan dalam pengecoran aluminium. Suku cadang mobil aluminium-silikon (Al-Si) lebih ringan dan lebih kuat daripada coran aluminium murni. Suku cadang mobil seperti blok mesin dan pelek adalah beberapa suku cadang aluminium-silikon yang paling banyak dicetak.
Hampir setengah dari silikon metalurgi digunakan dalam industri kimia untuk membuat silika berasap (zat pengental dan pengering), silan (zat penghubung), dan silikon (pelapis, perekat, dan pelumas). Polisilikon tingkat fotovoltaik terutama digunakan dalam pembuatan sel surya polisilikon. Sekitar lima ton polisilikon dibutuhkan untuk membuat satu megawatt modul surya.
Saat ini, teknologi surya polisilikon menyumbang lebih dari setengah energi surya yang diproduksi di dunia, sementara teknologi monosilikon menyumbang sekitar 35 persen. Secara total, 90 persen energi matahari yang digunakan manusia dikumpulkan oleh teknologi berbasis silikon.
Silikon kristal tunggal juga merupakan bahan semikonduktor dasar dalam elektronik modern. Sebagai bahan substrat yang digunakan dalam produksi transistor efek medan (FET), LED, dan sirkuit terpadu, silikon ditemukan di hampir semua komputer modern, ponsel, tablet, televisi, radio, dan perangkat komunikasi lainnya. Diperkirakan lebih dari sepertiga dari semua perangkat elektronik mengandung teknologi semikonduktor berbasis silikon.
Akhirnya, silikon karbida paduan keras digunakan dalam berbagai aplikasi elektronik dan non-elektronik, seperti perhiasan sintetis, semikonduktor suhu tinggi, keramik keras, alat pemotong, cakram rem, abrasive, dll. rompi antipeluru dan elemen pemanas.
