Sifat dan Penggunaan Logam Silikon

Logam silikon adalah logam semi-konduktif abu-abu dan berkilau yang digunakan untuk memproduksi baja, sel surya, dan microchip. Silikon adalah unsur paling melimpah kedua di kerak bumi (di belakang hanya oksigen) dan unsur ke delapan yang paling umum di alam semesta. Hampir 30 persen dari berat kerak bumi dapat dikaitkan dengan silikon.

Unsur dengan nomor atom 14 secara alami terjadi dalam mineral silikat, termasuk silika, feldspar, dan mika, yang merupakan komponen utama batuan umum seperti kuarsa dan batu pasir. Semi-logam (atau metaloid), silikon memiliki beberapa sifat baik logam dan non-logam.

Seperti air - tetapi tidak seperti kebanyakan logam - kontrak silikon dalam keadaan cair dan mengembang saat mengeras. Ini memiliki titik leleh dan titik didih yang relatif tinggi, dan ketika mengkristal membentuk struktur kristal berlian kubik. Penting bagi peran silikon sebagai semikonduktor dan penggunaannya dalam elektronik adalah atom unsur struktur, yang mencakup empat elektron valensi yang memungkinkan silikon berikatan dengan elemen lain segera.

• Simbol Atom: Si
• Nomor Atom: 14
• Kategori Elemen: Metalloid
• Kepadatan: 2.329g / cm3
• Titik lebur: 2577 ° F (1414 ° C)
• Titik Didih: 5909 ° F (3265 ° C)
• Kekerasan Moh: 7

Ahli kimia Swedia Jons Jacob Berzerlius dikreditkan dengan silikon isolasi pertama pada tahun 1823. Berzerlius mencapai ini dengan memanaskan kalium logam (yang baru diisolasi satu dekade sebelumnya) dalam wadah bersama dengan kalium fluorosilikat. Hasilnya adalah silikon amorf.

Namun, membuat silikon kristal membutuhkan lebih banyak waktu. Sampel silikon kristal elektrolitik tidak akan dibuat untuk tiga dekade berikutnya. Penggunaan silikon komersial pertama adalah dalam bentuk ferrosilicon.

Mengikuti Henry Bessemer modernisasi industri pembuatan baja pada pertengahan abad ke-19, ada minat besar pada baja metalurgi dan penelitian dalam teknik pembuatan baja. Pada saat produksi industri pertama ferrosilicon pada tahun 1880-an, pentingnya silikon dalam meningkatkan daktilitas pada babi besi dan baja deoksidasi dipahami dengan cukup baik.

Produksi awal ferrosilicon dilakukan di blast furnace dengan mengurangi bijih yang mengandung silikon dengan arang, yang menghasilkan besi pig keperakan, ferrosilicon dengan kandungan silikon hingga 20 persen.

Pengembangan tungku busur listrik pada awal abad ke-20 memungkinkan tidak hanya produksi baja yang lebih besar, tetapi juga produksi ferrosilicon yang lebih banyak. Pada tahun 1903, sebuah kelompok yang mengkhususkan diri dalam pembuatan ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) dimulai beroperasi di Jerman, Prancis dan Austria dan, pada tahun 1907, pabrik silikon komersial pertama di AS adalah didirikan.

Pembuatan baja bukan satu-satunya aplikasi untuk senyawa silikon yang dikomersialkan sebelum akhir abad ke-19. Untuk menghasilkan berlian buatan pada tahun 1890, Edward Goodrich Acheson memanaskan aluminium silikat dengan bubuk kokas dan secara tidak sengaja menghasilkan silikon karbida (SiC).

Tiga tahun kemudian Acheson telah mematenkan metode produksinya dan mendirikan Carborundum Company (carborundum menjadi nama umum untuk silikon karbida pada saat itu) untuk tujuan membuat dan menjual abrasif produk.

Pada awal abad ke-20, sifat konduktif silikon karbida juga telah direalisasikan, dan senyawa tersebut digunakan sebagai detektor di radio kapal awal. Sebuah paten untuk detektor kristal silikon diberikan kepada GW Pickard pada tahun 1906.

Pada tahun 1907, light emitting diode (LED) pertama kali dibuat dengan memberikan tegangan pada kristal silikon karbida. Melalui 1930-an penggunaan silikon tumbuh dengan pengembangan produk kimia baru, termasuk silan dan silikon. Pertumbuhan elektronik selama abad yang lalu juga terkait erat dengan silikon dan sifat-sifat uniknya.

Sementara pembuatan transistor pertama - pendahulu microchip modern - pada tahun 1940-an diandalkan germanium, itu tidak lama sebelum silikon menggantikan sepupu metalloid sebagai bahan semikonduktor substrat yang lebih tahan lama. Bell Labs dan Texas Instruments mulai memproduksi transistor berbasis silikon secara komersial pada tahun 1954.

Sirkuit terpadu silikon pertama dibuat pada 1960-an dan, pada 1970-an, prosesor yang mengandung silikon telah dikembangkan. Mengingat bahwa teknologi semikonduktor berbasis silikon membentuk tulang punggung elektronik modern dan komputasi, seharusnya tidak mengherankan bahwa kita menyebut pusat kegiatan untuk industri ini sebagai 'Silikon Lembah.'

(Untuk melihat detail sejarah dan perkembangan Lembah Silikon dan teknologi microchip, saya sangat merekomendasikan film dokumenter American Experience berjudul Silicon Valley). Tidak lama setelah meluncurkan transistor pertama, karya Bell Labs dengan silikon menyebabkan terobosan besar kedua pada tahun 1954: Sel photovoltaic (solar) silikon pertama.

Sebelum ini, pemikiran untuk memanfaatkan energi dari matahari untuk menciptakan kekuatan di bumi diyakini mustahil oleh kebanyakan orang. Tetapi hanya empat tahun kemudian, pada tahun 1958, satelit pertama yang ditenagai oleh sel surya silikon mengorbit bumi.

Pada 1970-an, aplikasi komersial untuk teknologi surya telah berkembang menjadi aplikasi terestrial seperti menyalakan lampu di rig minyak lepas pantai dan perlintasan kereta api. Selama dua dekade terakhir, penggunaan energi matahari telah tumbuh secara eksponensial. Saat ini, teknologi fotovoltaik berbasis silikon mencapai sekitar 90 persen dari pasar energi surya global.

Mayoritas silikon yang disuling setiap tahun - sekitar 80 persen - diproduksi sebagai ferrosilicon untuk digunakan dalam besi dan pembuatan baja. Ferrosilikon dapat mengandung antara 15 hingga 90 persen silikon tergantung pada persyaratan pabrik peleburan.

Itu paduan dari besi dan silikon diproduksi menggunakan tungku busur listrik yang terendam melalui peleburan reduksi. Bijih kaya silika dan sumber karbon seperti batubara kokas (batubara metalurgi) dihancurkan dan dimuat ke dalam tungku bersama dengan besi tua.

Pada suhu lebih dari 1900°C (3450°F), karbon bereaksi dengan oksigen yang ada dalam bijih, membentuk gas karbon monoksida. Besi dan silikon yang tersisa, sementara itu, kemudian bergabung untuk membuat ferrosilicon cair, yang dapat dikumpulkan dengan mengetuk dasar tungku. Setelah didinginkan dan dikeraskan, ferrosilicon kemudian dapat dikirim dan digunakan langsung di pabrik besi dan baja.

Metode yang sama, tanpa dimasukkannya besi, digunakan untuk menghasilkan silikon kelas metalurgi yang lebih besar dari 99 persen murni. Silikon metalurgi juga digunakan dalam peleburan baja, serta pembuatan paduan aluminium cor dan bahan kimia silan.

Silikon metalurgi diklasifikasikan berdasarkan tingkat pengotor dari besi, aluminium, dan kalsium hadir dalam paduan. Misalnya, 553 logam silikon mengandung kurang dari 0,5 persen setiap besi dan aluminium, dan kalsium kurang dari 0,3 persen.

Sekitar 8 juta metrik ton ferrosilicon diproduksi setiap tahun secara global, dengan China menyumbang sekitar 70 persen dari total ini. Produsen besar termasuk Erdos Metalurgi Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Grup OM Bahan, dan Elkem.

Tambahan 2,6 juta metrik ton silikon metalurgi - atau sekitar 20 persen dari total logam silikon olahan - diproduksi setiap tahun. China, sekali lagi, menyumbang sekitar 80 persen dari output ini. Yang mengejutkan bagi banyak orang adalah kadar silikon dan surya dari elektronik hanya sejumlah kecil (kurang dari dua persen) dari semua produksi silikon olahan. Untuk meningkatkan ke silikon logam tingkat surya (polisilikon), kemurnian harus meningkat hingga ke atas dari 99,9999% (6N) silikon murni. Ini dilakukan melalui salah satu dari tiga metode, yang paling umum adalah proses Siemens.

Proses Siemens melibatkan pengendapan uap kimia dari gas volatil yang dikenal sebagai triklorosilan. Pukul 1150°C (2102°F) trichlorosilane diledakkan di atas benih silikon dengan kemurnian tinggi yang dipasang di ujung batang. Saat melewati, silikon dengan kemurnian tinggi dari gas disimpan ke dalam benih.

Fluid bed reactor (FBR) dan teknologi silikon grade metallurgical grade (UMG) yang ditingkatkan juga digunakan untuk meningkatkan logam menjadi polisilikon yang cocok untuk industri fotovoltaik. Dua ratus tiga puluh ribu metrik ton polisilikon diproduksi pada 2013. Produsen terkemuka termasuk GCL Poly, Wacker-Chemie, dan OCI.

Akhirnya, untuk membuat silikon grade elektronik cocok untuk industri semikonduktor dan tertentu teknologi fotovoltaik, polisilikon harus dikonversi menjadi silikon monokristal ultra murni melalui Proses Czochralski. Untuk melakukan ini, polisilikon dilebur dalam wadah pada 1425°C (2597°F) dalam suasana lembam. Kristal biji yang dipasang di batang kemudian dicelupkan ke dalam logam cair dan perlahan-lahan diputar dan dihilangkan, memberikan waktu bagi silikon untuk tumbuh pada bahan benih.

Produk yang dihasilkan adalah batang (atau bulatan) dari logam silikon kristal tunggal yang dapat mencapai 99,999999999 (11N) persen murni. Batang ini dapat didoping dengan boron atau fosfor sesuai kebutuhan untuk mengubah sifat mekanika kuantum sesuai kebutuhan. Batang monokristal dapat dikirim ke klien apa adanya, atau diiris menjadi wafer dan dipoles atau bertekstur untuk pengguna tertentu.

Sementara sekitar sepuluh juta metrik ton ferrosilicon dan logam silikon disempurnakan setiap tahun, sebagian besar silikon yang digunakan secara komersial adalah sebenarnya dalam bentuk mineral silikon, yang digunakan dalam pembuatan segala sesuatu mulai dari semen, mortar, dan keramik, hingga kaca dan polimer.

Ferrosilikon, seperti disebutkan, adalah bentuk silikon logam yang paling umum digunakan. Sejak penggunaan pertama sekitar 150 tahun yang lalu, ferrosilicon tetap merupakan agen deoksidasi penting dalam produksi karbon dan besi tahan karat. Saat ini, peleburan baja tetap menjadi konsumen terbesar ferrosilicon.

Ferrosilicon memiliki sejumlah kegunaan di luar pembuatan baja. Ini adalah pra-paduan dalam produksi magnesium ferrosilicon, sebuah nodulizer yang digunakan untuk memproduksi besi ulet, serta selama proses Pidgeon untuk pemurnian magnesium dengan kemurnian tinggi. Ferrosilikon juga dapat digunakan untuk membuat panas dan korosi paduan silikon ferro tahan serta baja silikon, yang digunakan dalam pembuatan elektro-motor dan inti transformator.

Silikon metalurgi dapat digunakan dalam pembuatan baja serta agen paduan dalam pengecoran aluminium. Suku cadang mobil Aluminium-silikon (Al-Si) lebih ringan dan lebih kuat daripada komponen yang terbuat dari aluminium murni. Suku cadang otomotif seperti blok mesin dan pelek ban adalah beberapa suku cadang silikon aluminium yang paling umum digunakan.

Hampir setengah dari semua silikon metalurgi digunakan oleh industri kimia untuk membuat silika berasap (a zat pengental dan desikan), silan (zat perangkai) dan silikon (sealant, perekat, dan pelumas). Fotovoltaik kelas polisilikon terutama digunakan dalam pembuatan sel surya polisilikon. Diperlukan sekitar lima ton polisilikon untuk membuat satu megawatt modul surya.

Saat ini, teknologi surya polisilikon menyumbang lebih dari setengah energi matahari yang diproduksi secara global, sedangkan teknologi monosilicon menyumbang sekitar 35 persen. Secara total, 90 persen energi matahari yang digunakan oleh manusia dikumpulkan oleh teknologi berbasis silikon.

Silikon Monocrystal juga merupakan bahan semikonduktor penting yang ditemukan dalam elektronik modern. Sebagai bahan substrat yang digunakan dalam produksi transistor efek medan (FET), LED dan sirkuit terpadu, silikon dapat ditemukan di hampir semua komputer, ponsel, tablet, televisi, radio, dan komunikasi modern lainnya perangkat. 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, termasuk sintetis perhiasan, semikonduktor suhu tinggi, keramik keras, alat pemotong, cakram rem, abrasive, rompi anti peluru, dan pemanas elemen.

Sejarah Singkat Paduan Baja dan Produksi Ferroalloy.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri, dan Seppo Louhenkilpi.

Tentang Peran Ferroalloy dalam Pembuatan Baja. 9-13 Juni 2013. Kongres Ferroalloy Internasional ke-13. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf