Lihatlah silikon semi-logam
Logam silikon adalah logam semi-konduktif abu-abu dan berkilau yang digunakan untuk memproduksi baja, sel surya, dan microchip.
Silikon adalah unsur paling berlimpah kedua di kerak bumi (di belakang hanya oksigen) dan unsur paling umum kedelapan di alam semesta. Bahkan, 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 dari batuan umum seperti kuarsa dan batu pasir.
Sebuah silikon semi-logam (atau metaloid ), memiliki beberapa sifat baik logam dan non-logam.
Seperti air - tetapi tidak seperti kebanyakan logam - kontrak silikon dalam bentuk cair dan mengembang saat memadat. Ini memiliki titik lebur dan titik didih yang relatif tinggi, dan ketika mengkristal membentuk struktur kristal kubik berlian.
Kritis terhadap peran silikon sebagai semikonduktor dan penggunaannya dalam elektronik adalah struktur atom unsur, yang mencakup empat elektron valensi yang memungkinkan silikon untuk terikat dengan unsur-unsur lain dengan mudah.
Properti:
- Simbol Atom: Si
- Nomor Atom: 14
- Elemen Kategori: Metalloid
- Kepadatan: 2.329g / cm3
- Titik lebur: 2577 ° F (1414 ° C)
- Titik didih: 5909 ° F (3265 ° C)
- Kekerasan Moh: 7
Sejarah:
Kimiawan Swedia, Jons Jacob Berzerlius, dikreditkan dengan silikon isolasi pertama pada tahun 1823. Berzerlius melakukan ini dengan memanaskan kalium metalik (yang hanya telah diisolasi satu dekade sebelumnya) dalam wadah bersama dengan kalium fluorosilikat.
Hasilnya adalah silikon amorf.
Namun, membuat silikon kristalin membutuhkan lebih banyak waktu. Sampel kristal silikon elektrolitik tidak akan dibuat selama tiga dekade.
Penggunaan silikon yang dikomersilkan pertama dalam bentuk ferosilikon.
Setelah modernisasi Henry Bessemer tentang industri pembuatan baja pada pertengahan abad ke-19, ada minat besar dalam metalurgi baja dan penelitian dalam teknik pembuatan baja.
Pada saat produksi industri pertama ferrosilicon pada tahun 1880-an, pentingnya silikon dalam meningkatkan keuletan dalam pig iron dan deoxidizing steel cukup dipahami dengan baik.
Produksi awal ferosilikon dilakukan di tanur tiup dengan mengurangi bijih yang mengandung silikon dengan arang, yang menghasilkan besi babi keperakan, ferosilikon dengan hingga 20 persen kandungan silikon.
Perkembangan tanur busur listrik pada awal abad ke-20 memungkinkan tidak hanya produksi baja yang lebih besar, tetapi juga produksi ferosilikon yang lebih banyak.
Pada tahun 1903, sebuah kelompok yang mengkhususkan diri dalam pembuatan ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) mulai beroperasi di Jerman, Perancis dan Austria dan, pada tahun 1907, pabrik silikon komersial pertama di AS didirikan.
Pembuatan baja bukanlah satu-satunya aplikasi untuk senyawa silikon yang dikomersilkan sebelum akhir abad ke-19.
Untuk menghasilkan berlian buatan pada tahun 1890, Edward Goodrich Acheson dipanaskan aluminium silikat dengan bubuk coke dan kebetulan 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 produk abrasif.
Pada awal abad ke-20, sifat konduktif silikon karbida juga telah direalisasikan, dan senyawa itu digunakan sebagai detektor di radio kapal awal. Paten untuk detektor kristal silikon diberikan kepada GW Pickard pada tahun 1906.
Pada tahun 1907, dioda pemancar cahaya pertama (LED) diciptakan dengan menerapkan tegangan ke kristal silikon karbida.
Melalui penggunaan silikon 1930-an tumbuh dengan perkembangan produk kimia baru, termasuk silan dan silikon.
Pertumbuhan elektronik selama abad terakhir juga terkait erat dengan silikon dan sifat-sifatnya yang unik.
Sementara penciptaan transistor pertama - prekursor untuk microchip modern - pada tahun 1940-an mengandalkan germanium , itu tidak lama sebelum silikon menggantikan sepupu metalloid sebagai bahan semikonduktor substrat yang lebih tahan lama.
Bell Labs dan Texas Instruments mulai memproduksi secara komersial transistor berbasis silikon pada tahun 1954.
Sirkuit terpadu silikon pertama dibuat pada tahun 1960 dan, pada tahun 1970-an, prosesor yang mengandung silikon telah dikembangkan.
Mengingat bahwa teknologi semikonduktor berbasis silikon membentuk tulang punggung elektronik dan komputasi modern, seharusnya tidak mengherankan bahwa kita mengacu pada pusat kegiatan untuk industri ini sebagai 'Lembah Silikon'.
(Untuk melihat detail sejarah dan perkembangan teknologi Silicon Valley dan microchip, saya sangat merekomendasikan dokumenter Pengalaman Amerika yang berjudul Silicon Valley).
Tidak lama setelah meluncurkan transistor pertama, kerja Bell Labs dengan silikon menghasilkan terobosan besar kedua pada tahun 1954: Sel fotovoltaik silikon pertama (solar).
Sebelum ini, pikiran memanfaatkan energi dari matahari untuk menciptakan kekuatan di bumi diyakini tidak mungkin oleh sebagian besar. Tetapi hanya empat tahun kemudian, pada tahun 1958, satelit pertama yang didukung oleh sel surya silikon mengorbit bumi.
Pada tahun 1970-an, aplikasi komersial untuk teknologi surya telah berkembang ke aplikasi terestrial seperti menyalakan lampu pada 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.
Produksi:
Mayoritas silikon disempurnakan setiap tahun - sekitar 80 persen - diproduksi sebagai ferosilikon untuk digunakan dalam pembuatan besi dan baja . Ferrosilicon dapat mengandung antara 15 hingga 90 persen silikon tergantung pada persyaratan smelter.
Paduan besi dan silikon dihasilkan menggunakan tungku busur listrik yang tenggelam melalui peleburan reduksi. Bijih kaya silika dan sumber karbon seperti batu bara kokas (batu bara metalurgi) dihancurkan dan dimuat ke dalam tungku bersama dengan besi tua.
Pada suhu lebih dari 1900 ° C (3450 ° F), karbon bereaksi dengan kehadiran oksigen dalam bijih, membentuk gas karbon monoksida. Sisa besi dan silikon, sementara itu, kemudian bergabung untuk membuat ferosilikon cair, yang dapat dikumpulkan dengan mengetuk dasar tungku.
Setelah didinginkan dan diperkeras, ferosilikon dapat dikirim dan digunakan langsung dalam pembuatan 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 cor aluminium dan bahan kimia silan.
Silikon metalurgi diklasifikasikan oleh tingkat pengotor besi, aluminium , dan kalsium yang ada dalam paduan. Misalnya, 553 logam silikon mengandung kurang dari 0,5 persen dari masing-masing besi dan aluminium, dan kurang dari 0,3 persen kalsium.
Sekitar 8 juta metrik ton ferosilikon diproduksi setiap tahun secara global, dengan China terhitung sekitar 70 persen dari total ini. Produsen besar termasuk Grup Erdos Metalurgi, 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.
Kejutan bagi banyak orang adalah bahwa tingkat matahari dan elektronik dari silikon hanya sedikit (kurang dari dua persen) dari semua produksi silikon halus.
Untuk meng-upgrade ke logam silikon kelas surya (polysilicon), kemurniannya harus meningkat hingga lebih dari 99,9999% (6N) silikon murni. Ini dilakukan melalui salah satu dari tiga metode, yang paling umum adalah proses Siemens.
Proses Siemens melibatkan deposisi uap kimia dari gas volatil yang dikenal sebagai trichlorosilane. Pada 1150 ° C (2102 ° F) triklorosilan dihempaskan di atas benih silikon kemurnian tinggi yang dipasang di ujung batang. Ketika melewati, silikon kemurnian tinggi dari gas diendapkan ke biji.
Fluid bed reactor (FBR) dan teknologi silikon grade metalurgi (UMG) yang ditingkatkan juga digunakan untuk meningkatkan logam menjadi polisilikon yang cocok untuk industri fotovoltaik.
230.000 metrik ton polysilicon diproduksi pada tahun 2013. Produsen terkemuka termasuk GCL Poly, Wacker-Chemie, dan OCI.
Akhirnya, untuk membuat silikon kelas elektronik yang cocok untuk industri semikonduktor dan teknologi fotovoltaik tertentu, polisilikon harus diubah menjadi silikon ultra-murni monokristal melalui proses Czochralski.
Untuk melakukan hal ini, polisilikon dilelehkan dalam wadah pada suhu 1425 ° C (2597 ° F) dalam atmosfir inert. Sebuah kristal biji yang dipasang di batang kemudian dicelupkan ke dalam logam cair dan perlahan-lahan dirotasi dan dihilangkan, memberikan waktu untuk silikon untuk tumbuh pada bahan benih.
Produk yang dihasilkan adalah batang (atau boule) dari logam silikon kristal tunggal yang bisa setinggi 99,999999999 (11N) persen murni. Batang ini dapat didoping dengan boron atau fosfor seperti yang diperlukan untuk men-tweak sifat mekanika kuantum yang diperlukan.
Batang monokristal dapat dikirim ke klien sebagaimana adanya, atau diiris menjadi wafer dan dipoles atau diberi tekstur untuk pengguna tertentu.
Aplikasi:
Sementara sekitar sepuluh juta metrik ton ferosilikon dan logam silikon disempurnakan setiap tahun, mayoritas silikon yang digunakan secara komersial sebenarnya dalam bentuk mineral silikon, yang digunakan dalam pembuatan segala sesuatu dari semen, mortir, dan keramik, ke kaca dan polimer.
Ferrosilicon, sebagaimana dicatat, adalah bentuk paling umum dari silikon metalik. Sejak penggunaan pertamanya sekitar 150 tahun yang lalu, ferrosilicon tetap menjadi agen deoksidator penting dalam produksi karbon dan baja tahan karat . Hari ini, peleburan baja tetap menjadi konsumen terbesar ferosilikon.
Ferrosilicon memiliki sejumlah kegunaan di luar pembuatan baja. Ini adalah pra-paduan dalam produksi magnesium ferosilikon, nodulizer yang digunakan untuk menghasilkan besi ulet, serta selama proses Pidgeon untuk menyempurnakan magnesium kemurnian tinggi.
Ferrosilicon juga dapat digunakan untuk membuat paduan silikon besi tahan panas dan anti karat serta baja silikon, yang digunakan dalam pembuatan motor elektro dan inti transformator.
Silikon metalurgi dapat digunakan dalam pembuatan baja serta agen paduan dalam pengecoran aluminium. Bagian-bagian mobil aluminium-silikon (Al-Si) lebih ringan dan lebih kuat daripada komponen-komponen yang dilemparkan dari aluminium murni. Suku cadang otomotif seperti blok mesin dan pelek ban adalah bagian aluminium silikon yang paling umum.
Hampir setengah dari semua silikon metalurgi digunakan oleh industri kimia untuk membuat silika berasap (agen penebalan dan desikan), silan (agen penggandeng) dan silikon (sealant, perekat, dan pelumas).
Photovoltaic grade polysilicon terutama digunakan dalam pembuatan sel surya polysilicon. Sekitar lima ton polysilicon diperlukan untuk membuat satu megawatt modul surya.
Saat ini, teknologi surya polysilicon menyumbang lebih dari separuh energi matahari yang dihasilkan secara global, sementara teknologi monosilicon menyumbang sekitar 35 persen. Secara total, 90 persen dari 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 perangkat komunikasi modern lainnya.
Diperkirakan bahwa 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 perhiasan sintetis, semikonduktor suhu tinggi, keramik keras, alat pemotong, cakram rem, abrasive, rompi antipeluru dan elemen pemanas.
Sumber:
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
Ikuti Terence di Google+