Silikon logam ialah logam semikonduktor kelabu berkilat yang digunakan untuk membuat keluli, sel suria dan cip mikro. Silikon ialah unsur kedua paling banyak dalam kerak Bumi (di belakang hanya oksigen) dan unsur kelapan paling biasa di alam semesta. Hampir 30 peratus daripada berat kerak bumi boleh dikaitkan dengan silikon.
Unsur dengan nombor atom 14 ini berlaku secara semula jadi dalam mineral silikat seperti silika, feldspar dan mika, yang merupakan komponen utama batu biasa seperti kuarza dan batu pasir. Silikon, semimetal (atau metalloid), mempunyai beberapa sifat kedua-dua logam dan bukan logam.
Seperti air, tetapi tidak seperti kebanyakan logam, silikon menguncup dalam keadaan cair dan mengembang apabila ia menjadi pejal. Ia mempunyai takat lebur dan takat didih yang agak tinggi, dan apabila dihablurkan ia membentuk struktur kristal padu berlian. Struktur atom silikon, yang merangkumi empat elektron valens yang membolehkan silikon mudah terikat dengan unsur lain, adalah penting untuk fungsinya sebagai semikonduktor dan penggunaannya dalam elektronik.
Hartanah
Simbol Atom: Ya
Nombor atom: 14
Kategori Unsur: Metaloid
Ketumpatan: 2,329g/cm3
Takat lebur: 2577 darjah F (1414 darjah )
Takat didih: 5909 darjah F (3265 darjah )
Kekerasan Moh: 7
Pengeluaran
Kebanyakan silikon yang ditapis setiap tahun, kira-kira 80 peratus, dihasilkan sebagai ferrosilikon untuk digunakan dalam pembuatan besi dan keluli. Ferrosilicon boleh mengandungi antara 15 dan 90 peratus silikon, bergantung kepada keperluan faundri.
Aloi besi-silikon dihasilkan dalam relau arka elektrik yang tenggelam menggunakan peleburan pengurangan. Bijih yang kaya dengan silika dan sumber karbon seperti arang kok (arang batu metalurgi) dihancurkan dan dicas ke relau bersama-sama dengan sekerap.
Pada suhu melebihi 1900 darjah (3450 darjah F), karbon bertindak balas dengan oksigen yang terdapat dalam mineral, membentuk gas karbon monoksida. Baki besi dan silikon, sementara itu, bergabung untuk membentuk ferro-silikon cair, yang boleh dikumpulkan dengan mengetuk bahagian bawah relau. Setelah disejukkan dan dikeraskan, ferrosilicon boleh dihantar dan digunakan terus dalam pembuatan besi dan keluli.
Kaedah yang sama, tidak termasuk besi, digunakan untuk menghasilkan silikon gred metalurgi dengan ketulenan lebih daripada 99 peratus. Silikon metalurgi juga digunakan dalam tuangan keluli, serta dalam pembuatan aloi aluminium tuang dan bahan kimia silane.
Silikon metalurgi dikelaskan mengikut tahap kekotoran besi, aluminium dan kalsium yang terdapat dalam aloi. Contohnya, silikon logam 553 mengandungi kurang daripada 0.5 peratus daripada setiap logam, besi dan aluminium serta kurang daripada 0.3 peratus kalsium.
Kira-kira 8 juta tan ferro-silikon dihasilkan di seluruh dunia setiap tahun, dengan China menyumbang kira-kira 70 peratus daripada jumlah ini. Pengeluar utama termasuk Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials dan Elkem.
Sebanyak 2.6 juta tan silikon metalurgi lagi dihasilkan setiap tahun, iaitu kira-kira 20 peratus daripada jumlah silikon logam bertapis. China, sekali lagi, menyumbang kira-kira 80 peratus daripada pengeluaran ini. Satu kejutan kepada ramai ialah gred silikon suria dan elektronik menyumbang hanya sejumlah kecil (kurang daripada dua peratus) daripada semua pengeluaran silikon yang ditapis. Untuk beralih kepada silikon logam gred suria (polisilikon), ketulenan mesti meningkat kepada lebih daripada 99.9999 peratus (6N) silikon tulen. Ini dilakukan dengan salah satu daripada tiga kaedah, yang paling biasa ialah proses Siemens.
Proses Siemens melibatkan pemendapan wap kimia gas meruap yang dikenali sebagai trichlorosilane. Trichlorosilane ditiup pada 1150 darjah (2102 darjah F) pada biji silikon ketulenan tinggi yang dipasang pada hujung batang. Apabila ia melepasinya, silikon ketulenan tinggi dalam gas dimendapkan pada benih.
Reaktor katil bendalir (FBR) dan teknologi silikon gred metalurgi dipertingkatkan (UMG) juga digunakan untuk menaik taraf logam kepada polisilikon yang sesuai untuk industri fotovoltaik. Pada tahun 2013, 230.000 tan polysilicon telah dihasilkan. Pengeluar utama ialah GCL Poly, Wacker-Chemie dan OCI.
Akhir sekali, agar silikon gred elektronik sesuai untuk digunakan dalam industri semikonduktor dan teknologi fotovoltaik tertentu, polysilicon mesti ditukar kepada silikon monohablur ultratulen menggunakan proses Czochralski. Untuk melakukan ini, polysilicon dicairkan dalam mangkuk pijar pada 1425 darjah (2597 darjah F) dalam suasana lengai. Hablur benih yang dipasang pada batang kemudian direndam dalam logam cair dan perlahan-lahan diputar dan dikeluarkan, membenarkan masa untuk silikon tumbuh dalam bahan benih.
Produk yang terhasil ialah rod (atau boule) daripada logam silikon kristal tunggal yang boleh mencapai 99.999999999 (11N) peratus ketulenan. Rod ini boleh didop dengan boron atau fosforus, mengikut keperluan, untuk mengubah suai sifat mekanikal kuantum. Rod monokristalin boleh dihantar kepada pelanggan sebagaimana adanya, atau dipotong menjadi wafer dan digilap atau bertekstur untuk pengguna tertentu.
Aplikasi
Walaupun kira-kira sepuluh juta tan metrik ferosilikon dan logam silikon ditapis setiap tahun, kebanyakan silikon yang digunakan secara komersial adalah dalam bentuk bijih silikon, yang digunakan dalam pembuatan segala-galanya daripada simen, mortar dan seramik, kepada kaca dan polimer.
Ferrosilicon, seperti yang dinyatakan, adalah bentuk silikon logam yang paling banyak digunakan. Sejak pertama kali digunakan kira-kira 150 tahun yang lalu, ferrosilicon kekal sebagai agen penyahoksidaan yang penting dalam pengeluaran karbon dan keluli tahan karat. Hari ini, tuangan keluli kekal sebagai pengguna terbesar ferrosilicon.
Walau bagaimanapun, ferrosilicon mempunyai kegunaan lain selain membuat keluli. Ia adalah prealloy dalam pengeluaran magnesium ferrosilicon, pelet yang digunakan untuk menghasilkan besi mulur, serta semasa proses Pidgeon untuk menapis magnesium ketulenan tinggi. Ferrosilikon juga boleh digunakan untuk membuat aloi silikon ferus yang tahan haba dan kakisan, serta keluli silikon, yang digunakan dalam pembuatan motor elektrik dan teras pengubah.
Silikon metalurgi boleh digunakan dalam industri keluli dan sebagai agen pengaloian dalam faundri aluminium. Bahagian auto aluminium-silikon (Al-Si) adalah lebih ringan dan lebih kuat daripada tuangan aluminium tulen. Bahagian kereta seperti blok enjin dan rim adalah sebahagian daripada bahagian aluminium-silikon tuangan yang paling meluas.
Hampir separuh daripada silikon metalurgi digunakan dalam industri kimia untuk membuat silika wasap (agen pemekat dan pengeringan), silanes (agen gandingan), dan silikon (pengedap, pelekat, dan pelincir). Polysilicon gred fotovoltaik digunakan terutamanya dalam pembuatan sel solar polysilicon. Kira-kira lima tan polysilicon diperlukan untuk membuat satu megawatt modul solar.
Pada masa ini, teknologi solar polysilicon menyumbang lebih separuh daripada tenaga suria yang dihasilkan di dunia, manakala teknologi monosilikon menyumbang kira-kira 35 peratus. Secara keseluruhannya, 90 peratus tenaga suria yang digunakan oleh manusia dikumpul oleh teknologi berasaskan silikon.
Silikon kristal tunggal juga merupakan bahan semikonduktor asas dalam elektronik moden. Sebagai bahan substrat yang digunakan dalam penghasilan transistor kesan medan (FET), LED dan litar bersepadu, silikon ditemui dalam hampir semua komputer moden, telefon bimbit, tablet, televisyen, radio dan peranti komunikasi lain. Dianggarkan lebih satu pertiga daripada semua peranti elektronik mengandungi teknologi semikonduktor berasaskan silikon.
Akhir sekali, silikon karbida aloi keras digunakan dalam pelbagai jenis aplikasi elektronik dan bukan elektronik, seperti barang kemas sintetik, semikonduktor suhu tinggi, seramik keras, alat pemotong, cakera brek, pelelas, dll. jaket kalis peluru dan elemen pemanas.
