Silikon

Silikon (Latin: silicium) merupakan unsur kimia dalam jadual berkala yang mempunyai simbol Si dan nombor atom 14. Silikon adalah sejenis metaloid tetravalen yang kurang reaktif berbanding dengan analog kimianya, karbon. Ia merupakan unsur kedua paling berlimpah di dalam kerak Bumi, mencapai hampir 25.7% mengikut berat. Ia wujud di dalam tanah liat, feldspar, granit, kuartza dan pasir, kebanyakannya dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenali sebagai silika) dan dalam bentuk silikat, (beraneka jenis sebatian yang mengandungi silikon, oksigen dan satu atau pelbagai jenis logam lain). Silikon adalah merupakan juzuk utama di dalam kebanyakan peranti semikonduktor, dan sekiranya dalam bentuk silika dan silikat, dalam kaca, simen, seramik. Ia juga merupakan juzuk dalam silikone, nama yang diberikan kepada pelbagai jenis bahan plastik yang sering dikelirukan sebagai silikon. Silikon digunakan secara meluas dalam semikonduktor kerana ia mempunyai arus bocoran balikan yang lebih rendah daripada semikonduktor germanium, dan juga kerana oksida aslinya mudah dihasilkan di dalam relau dan membentuk antara muka semikonduktor/dielektrik yang lebih baik berbanding dengan hampir semua jenis gabungan bahan.

Sifat-sifat utama sunting

Dalam bentuk hablurnya, silikon berwarna kelabu gelap dengan kilauan logam. Walaupun ia secara bandingannya agak lengai, silikon masih dapat bertindak balas dengan halogen dan alkali cair, tetapi kebanyakan asid (kecuali gabungan asid nitrik dan asid hidrofluorik) tidak mempengaruhinya. Silikon keunsuran menghantar hampir 95% panjang gelombang cahaya inframerah. Silikon tulen mempunyai pekali suhu rintangan yang negatif, kerana bilangan cas bebas meningkat dengan suhu. Rintangan elektrik sebuah hablur silikon berubah dengan ketara sekali atas pengenaan tegasan mekanikal oleh sebab kesan rintangan piezo.

Penggunaan sunting

Silikon adalah merupakan unsur yang sangat berguna dan juga adalah amat penting dalam bidang perusahaan.

Silikon dan aloi sunting

Penggunaan terpenting bagi silikon tulen (silikon gred pelogaman/metalurgi) adalah dalam aloi aluminium-silikon, sering dipanggil "aloi ringan", untuk menghasilkan alat tuangan, kebanyakannya untuk industri automotif (ini mewakili kira-kira 55% daripada penggunaan silikon tulen sedunia)
Silikon tulen juga digunakan untuk menghasilkan silikon ultra tulen bagi penggunaan elektronik dan fotovolta:
- Semikonduktor - Silikon ultra tulen boleh didopkan degan unsur lain untuk mengubahsuai gerak balas elektrik dengan mengawal bilangan dan cas (positif atau negatif) pembawa arus. Kawalan sedemikian adalah penting dalam transistor, sel suria, pengesan semikonduktor, dan peranti semikonduktor lain yang digunakan dalam elektronik dan penggunaan teknologi tinggi yang lain.
- Fotonik - Silikon boleh digunakan sebagai laser gelombang Raman selanjar untuk menghasilkan cahaya koheren dengan panjang gelombang 1.698 nm.
- LCD dan sel suria - silikon amorf berhidrogen mempunyai kemungkinan cerah dalam pembuatan elektronik bidang luas dan rendah kos dalam aplikasi seperti LCD dan sel suria.
Keluli dan besi tuangan - silikon adalam merupakan juzuk penting dalam sesetengah jenis keluli, dan ia juga digunakan dalam proses penghasilan besi tuangan. Ia dikenali sebagai aloi ferosilikon atau silikokalsium.

Sebatian silikon sunting

Pembinaan: Silikon dioksida atau silika dalam bentuk pasir dan tanah liat adalah merupakan ramuan penting dalam konkrit dan batu-bata dan juga dalam penghasilan simen Portland.
Tembikar/Enamel - Ia adalah sejenis bahan refraktori yang digunakan dalam pembuatan bahan bersuhu tinggi dan silikatnya digunakan dalam penghasilan enamel dan tembikar.
Kaca - Silika daripada pasir adalah merupakan juzuk utama dalam kaca. Kaca boleh dihasilkan menjadi beraneka jenis bentuk yang menarik dan pelbagai jenis sifat fizikal. Silika digunakan sebagai bahan asas dalam pembuatan kaca tingkap, bekas, penebat, dan barangan-barangan berguna yang lain.
Pelelas - Silikon karbida adalah antara bahan las yang terpenting.
Bahan perubatan - Silikone adalah sejenis sebatian mudah lentur yang mengandungi ikatan silikon-oksigen dan silikon-karbon; ia digunakan secara meluas dalam aplikasi seperti implan payudara buatan dan kanta lekap. Silikone juga digunakan dalam aplikasi-aplikasi lain.

Sejarah sunting

Silikon (Latin silex, silicis, bermaksud batu api) pertama kali dikenal pasti oleh Antoine Lavoisier pada tahun 1787, dan kemudiannya disalah anggap oleh Humphry Davy sebagai sejenis sebatian pada tahun 1800. Pada tahun 1811 Gay-Lussac dan Thénard kemungkinannya telah menyediakan silikon amorf tak tulen melalui pemanasan kalium dengan silikon tetrafluorida. Pada tahun 1824 Berzelius menyediakan silikon amorf menggunakan kaedah yang hampir sama seperti kaedah Lussac. Berzelius juga telah menulenkan hasil tersebut dengan berkali-kali membasuhnya.

Oleh sebab silikon adalah merupakan unsur yang penting dalam semikonduktor dan peranti berteknologi tinggi, kawasan berteknologi tinggi Lembah Silikon, California, adalah dinamakan sempena unsur ini.

Ragam kewujudan sunting

Ditimbang mengikut berat, silikon merangkumi sebanyak 25.7% daripada kandungan kerak Bumi dan merupakan unsur kedua paling berlimpah atas Bumi, selepas oksigen. Hablur silikon tulen jarang ditemui dalam alam semulajadi; silikon asli biasanya dijumpai dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenali sebagai silika) dan silikat.

Pasir, batu kecubung, akik, kuartza, hablur batuan, batu api, jasper, dan baiduri adalah antara rupa bentuk silikon dioksida (ia dikenali sebagai silika "litogen", berbeza daripada silika "biogen"). Granit, asbestos, feldspar, lempung, hornblend, dan mika adalah antara sebilangan daripada bermacam lagi jenis mineral silikat. Hablur silikon tulen boleh dijumpai sebagai kepungan dalam emas, atau dalam hembusan gunung berapi.

Silikon adalah juzuk utama dalam aerolit, iaitu satu kelas meteoroid, dan juga tektit, iaitu sejenis bentuk kaca semulajadi.

Penghasilan sunting

Silikon disediakan secara komersil melalui tindak balas antara silika ketulenan tinggi dengan kayu, arang, dan batu arang, dalam relau arka elektrik menggunakan elektrod karbon. Pada suhu menjangkau 1900 °C, karbon menurunkan silika kepada silikon melalui persamaan kimia berikut

SiO₂ + C → Si + CO₂

Cecair silikon terkumpul di dasar relau, disalur keluar dan disejukkan. Silikon yang dihasilkan melalui proses ini adalah dipanggil silikon gred pelogaman dan adalah sekurang-kurangnya 99% tulen. Menggunakan kaedah ini, silikon karbida, SiC, boleh terhasil. Akan tetapi, jikalau jumlah SiO₂ dikekalkan tinggi, silikon karbida mungkin akan disingkirkan, seperti yang dijelaskan dalam persamaan di bawah:

2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2 CO

Pada tahun 2000, silikon gred pelogaman bernilai sebanyak $ 0.56 per paun ($1.23/kg).[1].

Penulenan sunting

Penggunaan silikon dalam peranti semikonduktor memerlukan ketulenan yang amat tinggi, lebih tinggi daripada apa yang dapat dibekalkan oleh silikon gred pelogaman. Menurut sejarah, sebilangan kaedah telah digunakan untuk menghasilkan silikon ketulenan tinggi.

Kaedah fizikal sunting

Wafer silikon dengan kemasan cermin (NASA)

Teknik penulenan silikon awal adalah berdasarkan kenyataan bahawa sekiranya silikon dilebur dan dipejal semula, bahagian terakhir jasad yang memejal akan mengandungi kandungan bendasing yang tertinggi. Kaedah penulenan silikon terawal, pertama kali dijelaskan pada tahun 1919 dan digunakan pada kadar terhad hanya untuk menghasilkan komponen radar semasa Perang Dunia Kedua, melibatkan penghancuran silikon gred pelogaman dan serbuk silikon tersebut dilarutkan secara separa di dalam asid. Apabila dihancurkan, silikon diretakkan agar kawasan kaya bendasing yang lebih lemah akan berada di luar butiran silikon yang terhasil. Hasilnya, silikon kaya bendasing akan menjadi yang pertama untuk terlarut apabila dirawat dengan asid, meninggalkan hasil baki yang lebih tulen.

Dalam peleburan zon, iaitu kaedah penulenan silikon pertama yang digunakan secara meluas dalam industri, batang silikon gred pelogaman dipanaskan agar melebur pada satu hujung batang rod. Kemudian, pemanas dengan perlahan-lahan digerakkan menerusi batang silikon, membiarkan sebahagian kecil panjang rod melebur sementara silikon di belakangnya menyejuk dan memejal kembali. Oleh sebab bendasing cenderung untuk kekal pada kawasan lebur daripada memejal semula, apabila proses telah tamat, kebanyakan bendasing pada batang telahpun dialihkan ke hujung yang paling akhir dileburkan. Hujung ini akan dibelah dan dibuang, dan proses ini akan diulangi jika ketulenan yang lebih tinggi perlu dikecapi.

Kaedah kimia sunting

Contoh silikon.

Pada masa kini, silikon ditulenkan dengan mengubahnya menjadi sebatian silikon yang lebih mudah ditulenkan berbanding dengan silikon sendiri, dan seterusnya mengubah sebatian tersebut kembali menjadi silikon tulen. Triklorosilana adalah merupakan sebatian silikon yang paling biasa digunakan sebagai bahantara, akan tetapi silikon tetraklorida dan silana juga digunakan. Apabila gas-gas ini dilalukan atas silikon pada suhu yang tinggi, ia mengurai menjadi silikon ketulenan tinggi.

Dalam proses Siemens, batang silikon ketulenan tinggi didedahkan kepada triklorosilana pada suhu 1150 °C. Gas triklorosilana mengurai dan memendapkan lebihan silikon pada batang, menambahkan saiznya berdasarkan persamaan kimia berikut

2 HSiCl₃ → Si + 2 HCl + SiCl₄

Silikon yang dihasilkan melalui kaedah ini dan kaedah yang serupa adalah dipanggil "silikon polihabluran". Silikon polihabluran biasanya mempunyai tahap ketaktulenan sebanyak 1 bahagian per bilion atau kurang daripada itu.

Pada satu ketika dahulu, DuPont pernah menghasilkan silikon ultratulen dengan memberi tindak balas silikon tetraklorida dengan wap zink ketulenan tinggi pada suhu 950 °C, menghasilkan silikon mengikut persamaan kimia di bawah

SiCl₄ + 2 Zn → Si + 2 ZnCl₂

Akan tetapi, teknik ini dilanda pelbagai masalah praktik (contohnya hasil sampingan zink klorida yang memejal lalu menyumbat saluran) dan kemudiannya dihentikan dan diganti dengan proses Siemens.

Penghabluran sunting

Kebanyakan hablur silikon yang ditumbuh untuk penghasilan peranti adalah melalui proses Czochralski, kerana ia merupakan kaedah yang paling murah sekali. Akan tetapi, hablur tunggal silikon yang ditumbuh melalui kaedah Czochralski mengandungi bendasing kerana mangkuk pijar yang menyimpan leburan akan terlarut. Untuk sesetengah peranti elektronik, terutamanya yang memerlukan aplikasi berkuasa tinggi, silikon yang ditumbuh menggunakan kaedah Czochralski adalah tidak cukup tulen. Untuk penggunaan-penggunaan tersebut, silikon zon apung (FZ-Si) digunakan.

Bentuk silikon yang berlainan sunting

Silikon berbutir
Silikon polihablur
Silikon hablur tunggal
Serbuk nano silikon

Perubahan warna dapat diperhatikan dalam serbuk nano silikon. Ini adalah disebabkan kesan kuantum yang berlaku pada zarah berdimensi nanometrik. (Lihat pembendung kuantum, titik kuantum dan nanopartikel)

Isotop sunting

Silikon mempunyai banyak isotop yang diketahui, dengan nombor jisim antara 22 hingga 44. ²⁸Si (isotop yang paling berlimpah, pada 92.23%), ²⁹Si (4.67%), dan ³⁰Si (3.1%) adalah stabil; ³²Si adalah isotop radioaktif yang dihasilkan oleh reputan argon. Separuh hayatnya, telah ditentukan dan adalah kira-kira 132 tahun, dan ia mereput melalui pancaran beta menjadi ³²P (yang mempunyai separuh hayat 14.28 hari [2]) dan kemudiannya menjadi ³²S.

Pengawasan sunting

Sejenis penyakit peparu berat yang dikenali sebagai silikosis selalunya dialami oleh pelombong, pemahat batu, dan orang-orang yang terlibat dalam perkerjaan di mana habuk bersilikon disedut pada jumlah yang banyak.

Perbezaan silikon dan silikone sunting

Silikon adalah merupakan sejenis unsur manakala silikone adalah sejenis kelas sebatian kimia (lebih terperinci lagi, polimer tak organik) yang mengandungi unsur silikon. Ahli-ahli yang paling terkenal dalam kelas kimia ini adalah antara lain, getah silikone dan gel silikone.

Hidupan berasas silikon sunting

Oleh sebab silikon seakan-akan serupa dengan karbon, terutamanya valensinya, sesetengah ahli sains mencadangkan kemungkinan terdapatnya hidupan berasaskan silikon. Konsep ini terkenal terutamanya dalam cereka sains.

Walaupun tidak terdapatnya bentuk hidupan yang diketahui yang bergantung sepenuhnya ke atas kimia berasaskan silikon, namun terdapat sebahagian hidupan yang bergantung kepada mineral silikon untuk fungsi-fungsi yang tertentu. Sesetengah bakteria dan bentuk hidupan lain, contohnya protozoa radiolaria, mempunyai rangka silikon dioksida, dan landak laut mempunyai duri yang diperbuat daripada silikon dioksida. Bentuk silikon dioksida ini adalah dikenali sebagai silika biogen. Bakteria silikat menggunakan silikat dalam metabolismenya.

Sebatian sunting

Untuk contoh-contoh sebatian silikon sila rujuk silikat, silana (SiH₄), asid silisik (H₄SiO₄), silikon karbida (SiC), silikon dioksida (SiO₂), silikon tetraklorida (SiCl₄), silikon tetrafluorida (SiF₄), dan triklorosilana (HSiCl₃).

Rujukan sunting

Los Alamos National Laboratory – Silicon

Pautan luar sunting

Rencana berkenaan kimia ini ialah rencana tunas. Anda boleh membantu Wikipedia dengan mengembangkannya.