Silikon

14Si Silikon
Sepotong silikon yang telah dimurnikan
Garis spektrum silikon
Sifat umum
Pengucapan	/silikon/[1]
Alotrop	lihat alotrop silikon
Penampilan	kristalin, reflektif dengan muka berwarna kebiruan
Silikon dalam tabel periodik
14Si Hidrogen Helium Litium Berilium Boron Karbon Nitrogen Oksigen Fluorin Neon Natrium Magnesium Aluminium Silikon Fosforus Belerang Klorin Argon Kalium Kalsium Skandium Titanium Vanadium Kromium Mangan Besi Kobalt Nikel Tembaga Seng Galium Germanium Arsen Selenium Bromin Kripton Rubidium Stronsium Itrium Zirkonium Niobium Molibdenum Teknesium Rutenium Rodium Paladium Perak Kadmium Indium Timah Antimon Telurium Iodin Xenon Sesium Barium Lantanum Serium Praseodimium Neodimium Prometium Samarium Europium Gadolinium Terbium Disprosium Holmium Erbium Tulium Iterbium Lutesium Hafnium Tantalum Wolfram Renium Osmium Iridium Platina Emas Raksa Talium Timbal Bismut Polonium Astatin Radon Fransium Radium Aktinium Torium Protaktinium Uranium Neptunium Plutonium Amerisium Kurium Berkelium Kalifornium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrensium Ruterfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hasium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Kopernisium Nihonium Flerovium Moskovium Livermorium Tenesin Oganeson C ↑ Si ↓ Ge aluminium ← silikon → fosforus Lihat bagan navigasi yang diperbesar
Nomor atom (Z)	14
Golongan	golongan 14 (golongan karbon)
Periode	periode 3
Blok	blok-p
Kategori unsur	metaloid
Berat atom standar(Ar)	[28,084, 28,086] 28,085±0,001 (diringkas)
Konfigurasi elektron	[Ne] 3s2 3p2
Elektron per kelopak	2, 8, 4
Sifat fisik
Fase pada STS (0 °C dan 101,325 kPa)	padat
Titik lebur	1687 K​(1414 °C,​2577 °F)
Titik didih	3538 K​(3265 °C,​5909 °F)
Kepadatanmendekati s.k.	2,3290 g/cm3
saat cair, pada t.l.	2,57 g/cm3
Kalor peleburan	50,21 kJ/mol
Kalor penguapan	383 kJ/mol
Kapasitas kalor molar	19,789 J/(mol·K)
Tekanan uap P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pada T (K) 1908 2102 2339 2636 3021 3537
Sifat atom
Bilangan oksidasi	−4, −3, −2, −1, 0,[2] +1,[3] +2, +3, +4 (oksida amfoter)
Elektronegativitas	Skala Pauling: 1,90
Energi ionisasi	ke-1: 786,5 kJ/mol ke-2: 1577,1 kJ/mol ke-3: 3231,6 kJ/mol (artikel)
Jari-jari atom	empiris:111 pm
Jari-jari kovalen	111 pm
Jari-jari van der Waals	222 pm
Lain-lain
Kelimpahan alami	primordial
Struktur kristal	​kubus-rombus acuan muka
Kecepatan suara batang ringan	8433 m/s(suhu 20 °C)
Ekspansi kalor	2,6 µm/(m·K)(suhu 25 °C)
Konduktivitas termal	149 W/(m·K)
Resistivitas listrik	2,3×103 Ω·m(suhu 20 °C)[4]
Celah pita	1,12 eV (suhu 300 K)
Arah magnet	Diamagnetik[5]
Suseptibilitas magnetik molar	−3,9×10−6 cm3/mol(298 K)[6]
Modulus Young	130–188 GPa[7]
Modulus Shear	51–80 GPa[7]
Modulus curah	97,6 GPa[7]
Rasio Poisson	0,064–0,28[7]
Skala Mohs	6,5
Nomor CAS	7440-21-3
Sejarah
Penamaan	dari Latin silex atau silicis, 'batu api'
Prediksi	A. Lavoisier(1787)
Penemuan	J. Berzelius[8][9](1823)
Isolasi pertama	J. Berzelius(1824)
Asal nama	T. Thomson(1817)
Isotop silikon yang utama
Iso­top Kelim­pahan Waktu paruh (t1/2) Mode peluruhan Pro­duk 28Si 92,2% stabil 29Si 4,7% stabil 30Si 3,1% stabil 31Si renik 2,62 jam β− 31P 32Si renik 153 thn β− 32P
lihat bicara sunting |referensi|di Wikidata

Silikon(bahasa Latin:silicium), yang juga disebut zat pasir, adalah sebuah unsur kimia dengan lambangSi dan nomor atom 14. Silikon merupakan padatan kristalin yang keras dan getas dengan kilau logam berwarna biru keabu-abuan. Silikon adalah unsur nonlogam tetravalen (terkadang dikategorikan sebagai metaloid) dan merupakan bahan semikonduktor. Silikon termasuk dalam golongan 14 pada tabel periodik: karbon berada di atasnya, sedangkan germanium, timah, timbal, dan flerovium berada di bawahnya. Silikon relatif tidak reaktif. Silikon merupakan unsur penting yang berperan dalam berbagai proses fisiologis dan metabolisme pada tumbuhan. Silikon banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor dalam berbagai perangkat listrik, seperti transistor, sel surya, dan sirkuit terpadu. Silikon mendominasi aplikasi semikonduktor karena harganya relatif murah, memiliki sifat elektronik yang sangat baik, serta karakteristik fisik yang dapat disesuaikan.

Karena memiliki afinitas kimia yang tinggi terhadap oksigen, baru pada tahun 1823 Jöns J. Berzelius berhasil menyiapkan dan mengidentifikasi silikon dalam bentuk murni. Oksida silikon membentuk suatu kelompok anion yang dikenal sebagai silikat. Titik lebur dan titik didih silikon masing-masing adalah 1.414 °C dan 3.265 °C, yang merupakan titik lebur dan titik didih tertinggi kedua di antara semua metaloid dan nonlogam, setelah boron.

Silikon merupakan unsur paling melimpah ke-8 di alam semesta berdasarkan massa, tetapi sangat jarang ditemukan dalam bentuk murni di kerak Bumi. Silikon tersebar luas di ruang angkasa dalam debu kosmik, planetoid, dan planet dalam berbagai bentuk silikon dioksida (silika) atau silikat. Lebih dari 90% kerak Bumi tersusun atas mineral silikat, sehingga silikon menjadi unsur paling melimpah kedua di kerak Bumi (sekitar 28% berdasarkan massa), setelah oksigen.

Sebagian besar silikon digunakan secara komersial tanpa dipisahkan dalam bentuk unsurnya dan sering kali hanya melalui sedikit pengolahan dari mineral alami. Penggunaannya antara lain dalam konstruksi industri dengan tanah liat, pasir silika, dan batu. Silikat digunakan dalam semen Portland untuk membuat mortar and plesteran, serta dicampurkan dengan pasir silika dan kerikil untuk membuat beton yang digunakan pada trotoar, fondasi, dan jalan. Silikat juga digunakan dalam produk keramik seperti porselen, serta kaca soda–kapur tradisional berbasis silikat dan berbagai jenis kaca khusus lainnya. Senyawa silikon seperti silikon karbida digunakan sebagai bahan abrasif dan komponen keramik berkekuatan tinggi. Silikon juga merupakan bahan dasar dari polimer sintetis yang banyak digunakan yang disebut silikona.

Periode dari akhir abad ke-20 hingga awal abad ke-21 disebut sebagai Zaman Silikon (yang juga dikenal sebagai Era Digital atau Era Informasi) karena besarnya pengaruh silikon sebagai unsur terhadap perekonomian dunia modern. Sebagian kecil silikon elemental yang memiliki tingkat kemurnian sangat tinggi dan digunakan dalam elektronika semikonduktor (kurang dari 15%) sangat penting untuk pembuatan transistor dan cip sirkuit terpadu yang digunakan dalam sebagian besar teknologi modern, seperti ponsel pintar dan komputer lainnya. Pada tahun 2019, sekitar 32,4% segmen pasar semikonduktor digunakan untuk perangkat jaringan dan komunikasi, dan industri semikonduktor diproyeksikan mencapai nilai US$726,73 miliar pada tahun 2027.^[10]

Silikon merupakan unsur penting dalam biologi. Sebagian besar hewan hanya membutuhkan silikon dalam jumlah sangat kecil, tetapi beberapa spons laut dan mikroorganisme, seperti diatom dan radiolaria, menghasilkan struktur rangka yang terbuat dari silika. Silika juga terakumulasi di berbagai jaringan tumbuhan.^[11]

Sejarah

Karena silikon sangat melimpah di kerak Bumi, bahan-bahan alami berbasis silikon telah digunakan selama ribuan tahun. Kristal batuan yang mengandung silikon telah dikenal oleh berbagai peradaban kuno, seperti masyarakat Mesir pra-dinasti yang menggunakannya untuk membuat manik-manik dan guci kecil, serta oleh masyarakat Tiongkok kuno. Kaca yang mengandung silika telah diproduksi oleh masyarakat Mesir setidaknya sejak 1500 SM, dan juga oleh bangsa Fenisia kuno. Senyawa silikat alami juga digunakan dalam berbagai jenis mortar untuk pembangunan tempat tinggal manusia pada masa awal.^[12]

Penemuan

Pada tahun 1787, Antoine Lavoisier menduga bahwa silika mungkin merupakan oksida dari suatu unsur kimia dasar.^[13] Namun, afinitas kimia silikon terhadap oksigen cukup tinggi sehingga dia tidak memiliki cara untuk mereduksi oksida tersebut dan mengisolasi unsurnya.^[14]: 328 Setelah upaya untuk mengisolasi silikon pada tahun 1808, Sir Humphry Davy mengusulkan nama "silicium" untuk silikon. Nama tersebut berasal dari kata Latin silex, silicis, yang berarti batu api, dengan penambahan akhiran "-ium" karena Davy mengira silikon merupakan logam.^[15] Sebagian besar bahasa lain menggunakan bentuk transliterasi dari nama yang diberikan Davy, yang terkadang disesuaikan dengan fonologi setempat, misalnya Silizium dalam bahasa Jerman, silisyum dalam bahasa Turki, silici dalam bahasa Katalan, serta Սիլիցիում atau Silitzioum dalam bahasa Armenia. Beberapa bahasa lainnya menggunakan bentuk terjemahan dari akar kata Latin tersebut. Misalnya, bahasa Rusia menggunakan кремний, yang berasal dari кремень, yang berarti "batu api"; bahasa Yunani menggunakan πυρίτιο, dari πυρ yang berarti "api"; bahasa Finlandia menggunakan pii, dari piikivi yang berarti "batu api"; sedangkan bahasa Ceko menggunakan křemík, dari křemen yang berarti "kuarsa" atau "batu api".^[16]

Jospeh L. Gay-Lussac dan Louis J. Thénard diperkirakan berhasil menghasilkan silikon amorf yang tidak murni pada tahun 1811, melalui pemanasan logam kalium yang baru diisolasi dengan silikon tetrafluorida. Namun, mereka tidak memurnikan atau mengkarakterisasi produk tersebut dan tidak mengidentifikasinya sebagai unsur baru.^[17] Nama silikon yang digunakan saat ini diberikan pada tahun 1817 oleh kimiawan Skotlandia Thomas Thomson. Dia mempertahankan sebagian nama yang diberikan Davy, tetapi mengganti akhirannya menjadi "-on" karena dia menganggap silikon sebagai unsur nonlogam yang mirip dengan boron dan karbon.^[18] Pada tahun 1824, Berzelius berhasil menghasilkan silikon amorf dengan menggunakan metode yang kurang lebih sama dengan metode Gay-Lussac, yaitu dengan mereduksi kalium fluorosilikat menggunakan logam kalium cair. Namun, Berzelius memurnikan produk tersebut hingga menjadi bubuk berwarna cokelat melalui pencucian berulang kali.^[19] Karena itu, dia umumnya dianggap sebagai orang yang menemukan unsur silikon.^[20][21] Pada tahun yang sama, Berzelius menjadi orang pertama yang berhasil menghasilkan silikon tetraklorida (SiCl₄). Sementara itu, silikon tetrafluorida telah dibuat jauh sebelumnya, pada tahun 1771, oleh Carl W. Scheele dengan cara melarutkan silika dalam asam fluorida.^{[14]: 328 [22]} Pada tahun 1846, J. von Ebelman berhasil menyintesis tetraetil ortosilikat (Si(OC₂H₅)₄).^[23][22]

Silikon dalam bentuknya yang lebih umum, yaitu bentuk kristalin, baru berhasil dibuat 31 tahun kemudian oleh Henri É. S. C. Deville.^[24] Dengan mengalirkan uap silikon klorida melalui aluminium murni, dia menghasilkan kristal oktahedral yang murni dan keras.^[25] Friedrich Wöhler menemukan hidrida silikon volatil pertama, dengan menyintesis triklorosilana pada tahun 1857 dan monosilana pada tahun 1858. Namun, penelitian terperinci mengenai silana baru dilakukan pada awal abad ke-20 oleh Alfred Stock, meskipun spekulasi awal mengenai senyawa-senyawa tersebut telah muncul sejak awal perkembangan kimia organik sintetis pada tahun 1830-an.^[14]: 330 Demikian pula, senyawa organosilikon pertama, yaitu tetraetilsilana, disintesis oleh Charles Friedel dan James M. Crafts pada tahun 1863. Namun, karakterisasi terperinci mengenai kimia organosilikon baru dilakukan pada awal abad ke-20 oleh Frederic S. Kipping.^[14]: 328

Mulai tahun 1920-an, penelitian William L. Bragg mengenai kristalografi sinar-X membantu menjelaskan komposisi mineral-mineral silikat yang sebelumnya telah diketahui melalui kimia analitik, tetapi belum dipahami strukturnya. Perkembangan ini berlangsung bersamaan dengan pengembangan kimia kristal oleh Linus C. Pauling dan pengembangan geokimia oleh Victor M. Goldschmidt. Pertengahan abad ke-20 menyaksikan perkembangan kimia dan penggunaan industri siloksana, serta semakin luasnya penggunaan resin, elastomer, dan polimer silikona. Pada akhir abad ke-20, kompleksitas kimia kristal silisida berhasil dipetakan, bersamaan dengan perkembangan pemahaman mengenai fisika benda padat pada semikonduktor yang didoping.^[14]: 328

Semikonduktor silikon

Perangkat semikonduktor pertama tidak menggunakan silikon, melainkan galena. Contohnya adalah pendeteksi kristal yang dibuat oleh fisikawan Jerman Karl F. Braun pada tahun 1874, serta pendeteksi kristal radio yang dibuat oleh fisikawan India Jagadish C. Bose pada tahun 1901.^[26][27] Perangkat semikonduktor silikon pertama adalah pendeteksi kristal radio berbahan silikon, yang dikembangkan oleh insinyur Amerika Greenleaf W. Pickard pada tahun 1906.^[27]

Pada tahun 1940, Russell S. Ohl menemukan sambungan p–n dan efek fotovoltaik pada silikon. Pada tahun 1941, dikembangkan teknik untuk menghasilkan kristal germanium dan silikon dengan kemurnian tinggi yang digunakan sebagai kristal pendeteksi gelombang mikro untuk radar selama Perang Dunia II.^[26] Pada tahun 1947, fisikawan William B. Shockley mengembangkan teori mengenai penguat efek medan yang dibuat dari germanium dan silikon. Namun, dia gagal membuat perangkat yang berfungsi dan akhirnya memilih menggunakan germanium. Pada tahun yang sama, transistor pertama yang berhasil bekerja, yaitu transistor kontak titik, dibuat oleh John Bardeen dan Walter H. Brattain ketika mereka bekerja di bawah bimbingan Shockley.^[28] Pada tahun 1954, kimia-fisikawan Morris Tanenbaum membuat transistor sambungan silikon pertama di Bell Labs.^[29] Pada tahun 1955, Carl J. Frosch dan Lincoln Derick dari Bell Labs secara tidak sengaja menemukan bahwa silikon dioksida (SiO₂) dapat ditumbuhkan di atas permukaan silikon.^[30][31] Pada tahun 1957, Frosch dan Derick menerbitkan penelitian mereka mengenai transistor oksida semikonduktor SiO₂ pertama yang dibuat. Penelitian ini menghasilkan transistor planar pertama, yaitu transistor yang memiliki bagian drain dan source yang bersebelahan pada permukaan yang sama.^[32] Pada tahun 1959, Robert N. Noyce mengembangkan sirkuit terpadu berbasis silikon pertama di Fairchild Semiconductor. Penemuannya dibangun berdasarkan penelitian sebelumnya oleh Jack S. C. Kilby, yang menggunakan germanium sebagai bahan semikonduktornya.^[33]

Zaman Silikon

"Zaman Silikon" mengacu pada periode dari akhir abad ke-20 hingga awal abad ke-21.^[34][35][36] Istilah ini digunakan karena silikon merupakan bahan utama yang digunakan dalam bidang elektronik dan teknologi informasi, yang juga dikenal sebagai Era Digital atau Era Informasi. Hal ini serupa dengan bagaimana Zaman Batu, Zaman Perunggu, dan Zaman Besi dinamai berdasarkan bahan yang menjadi dominan pada masing-masing periode perkembangan peradaban.^[34]

Karena silikon merupakan unsur penting dalam perangkat semikonduktor berteknologi tinggi, banyak tempat di dunia menggunakan nama silikon sebagai bagian dari julukannya. Sebagai contoh, Santa Clara Valley di California mendapat julukan Silicon Valley, karena silikon merupakan bahan dasar dalam industri semikonduktor di wilayah tersebut. Sejak saat itu, banyak tempat lain juga mendapatkan julukan serupa, di antaranya Silicon Forest di Oregon; Silicon Hills di Austin, Texas; Silicon Slopes di Kota Salt Lake, Utah; Silicon Saxony di Jerman; Silicon Valley di India; Silicon Border di Mexicali, Meksiko; Silicon Fen di Cambridge, Inggris; Silicon Roundabout di London; Silicon Glen di Skotlandia; Silicon Gorge di Bristol, Inggris; Silicon Alley di Kota New York; Silicon Beach di Los Angeles;^[37] Dubai Silicon Oasis di Dubai; dan Silicon Wadi di Israel.

Karakteristik

Sifat fisik dan atomik

Atom silikon memiliki empat belas elektron. Dalam keadaan dasar, elektron-elektron tersebut tersusun dalam konfigurasi elektron [Ne]3s²3p². Dari konfigurasi tersebut, terdapat empat elektron valensi yang menempati orbital 3s dan dua orbital 3p. Seperti anggota lain dalam golongannya, yaitu karbon yang lebih ringan serta germanium, timah, dan timbal yang lebih berat, silikon memiliki jumlah elektron valensi yang sama dengan jumlah orbital valensinya. Oleh karena itu, silikon dapat melengkapi oktetnya dan memperoleh konfigurasi stabil dari gas mulia argon dengan membentuk orbital hibrida sp³. Hal ini menghasilkan turunan SiX₄ berbentuk tetrahedral, di mana atom silikon pusat berbagi sepasang elektron dengan masing-masing dari empat atom yang terikat padanya.^{[39]: xiii–xviii} Empat energi ionisasi pertama silikon masing-masing adalah 786,3; 1576,5; 3228,3; dan 4354,4 kJ/mol. Nilai-nilai yang tinggi ini menunjukkan bahwa silikon tidak memungkinkan terjadinya kimia kationik sederhana. Sesuai dengan tren periodik, jari-jari kovalen silikon untuk ikatan tunggal adalah 117,6 pm, yang nilainya berada di antara karbon (77,2 pm) dan germanium (122,3 pm). Jari-jari ionik silikon dalam koordinasi heksakoordinat dapat dianggap sebesar 40 pm, meskipun angka ini hanya bersifat teoretis atau sekadar perkiraan, karena pada kenyataannya tidak terdapat kation Si⁴⁺ sederhana.^[14]: 372

Sifat kelistrikan

Pada suhu dan tekanan standar, silikon merupakan semikonduktor yang mengilap dengan kilau logam berwarna abu-abu kebiruan. Seperti semikonduktor pada umumnya, resistivitas silikon menurun ketika suhu meningkat. Hal ini terjadi karena silikon memiliki celah energi (celah pita) energi yang kecil antara tingkat energi tertinggi yang ditempati elektron (pita valensi) dan tingkat energi terendah yang tidak ditempati (pita konduksi). Aras Fermi berada kira-kira di tengah-tengah antara pita valensi dan konduksi. Aras Fermi merupakan tingkat energi di mana kemungkinan suatu keadaan ditempati oleh elektron sama besar dengan kemungkinan keadaan tersebut tidak ditempati. Oleh karena itu, silikon murni pada dasarnya bertindak sebagai insulator pada suhu kamar. Namun, jika silikon didoping dengan unsur golongan pniktogen seperti fosforus, arsen, atau antimon, akan terdapat satu elektron tambahan untuk setiap atom dopan. Elektron-elektron tambahan tersebut kemudian dapat tereksitasi ke pita konduksi, baik secara termal maupun fotolitik, sehingga menghasilkan semikonduktor tipe-n. Sebaliknya, doping silikon dengan unsur golongan 13 seperti boron, aluminium, atau galium menghasilkan tingkat akseptor yang dapat menangkap elektron. Elektron tersebut dapat berasal dari pita valensi yang telah terisi, sehingga menghasilkan semikonduktor tipe-p.^[14]: 332 Menggabungkan silikon tipe-n dengan silikon tipe-p menghasilkan sambungan p–n dengan aras Fermi yang sama. Elektron mengalir dari daerah tipe-n ke tipe-p, sedangkan lubang elektron (electron hole) mengalir dari daerah tipe-p ke tipe-n, sehingga menghasilkan penurunan tegangan. Sambungan p–n kemudian berfungsi sebagai dioda yang dapat menyearahkan arus bolak-balik, yaitu memungkinkan arus mengalir lebih mudah dalam satu arah dibandingkan arah lainnya. Transistor merupakan sambungan n–p–n, dengan lapisan tipis silikon yang sedikit bertipe-p di antara dua daerah bertipe-n. Dengan memberikan tegangan maju kecil pada emitor dan tegangan balik besar pada kolektor, transistor dapat berfungsi sebagai penguat trioda.^[14]: 332

Struktur kristal

Silikon mengkristal dalam struktur kovalen raksasa pada kondisi standar, khususnya dalam kisi kristal kubik intan (grup ruang 227). Oleh karena itu, silikon memiliki titik lebur yang tinggi, yaitu 1.414 °C, karena diperlukan energi yang besar untuk memutuskan ikatan kovalen yang kuat dan meleburkan zat padat tersebut. Ketika melebur, silikon mengalami penyusutan karena jaringan ikatan tetrahedral jarak jauh terurai dan ruang kosong dalam jaringan tersebut terisi. Hal ini mirip dengan es air ketika ikatan hidrogen terputus saat es mencair. Silikon tidak memiliki alotrop yang stabil secara termodinamika pada tekanan standar, tetapi beberapa struktur kristal lainnya diketahui dapat terbentuk pada tekanan yang lebih tinggi. Secara umum, bilangan koordinasi silikon meningkat seiring dengan meningkatnya tekanan, hingga akhirnya terbentuk alotrop dengan struktur susunan padat heksagon pada tekanan sekitar 40 GPa, yang dikenal sebagai Si–VII (sedangkan bentuk standar disebut Si–I). Salah satu alotrop yang disebut BC8 (atau bc8), yang memiliki kisi kubus berpusat-badan dengan delapan atom dalam setiap sel unit primitif (grup ruang 206), dapat terbentuk pada tekanan tinggi dan tetap berada dalam keadaan metastabil pada tekanan rendah. Sifat-sifat alotrop ini telah dipelajari secara rinci.^[40]

Silikon mendidih pada suhu 3.265 °C. Meskipun suhu ini tinggi, nilainya masih lebih rendah dibandingkan suhu ketika karbon, yang merupakan unsur sejenis tetapi lebih ringan, mengalami sublimasi (3.642 °C). Silikon juga memiliki kalor penguapan yang lebih rendah daripada karbon. Hal ini sesuai dengan fakta bahwa ikatan Si–Si lebih lemah daripada ikatan C–C.^[14]: 331

Silikon juga dapat membentuk lapisan silisena yang memiliki kemiripan dengan grafena.^[41][42]

Isotop

Silikon yang terdapat secara alami terdiri dari tiga isotop stabil, yaitu ²⁸Si (92,24%), ²⁹Si (4,67%), dan ³⁰Si (3,07%).^[43] Dari ketiganya, hanya isotop ganjil ²⁹Si yang digunakan dalam spektroskopi EPR dan NMR,^[44] serta memiliki spin inti sebesar (I =12).^[14]: 330 Ketiga isotop tersebut dihasilkan dalam supernova tipe Ia^[45][46] melalui proses pembakaran oksigen. Isotop ²⁸Si terbentuk sebagai bagian dari proses alfa, sehingga menjadi isotop yang paling melimpah. Fusi ²⁸Si dengan partikel alfa melalui penataan ulang fotodisintegrasi di dalam bintang dikenal sebagai proses pembakaran silikon. Proses ini merupakan tahap terakhir nukleosintesis bintang sebelum terjadinya keruntuhan cepat dan ledakan dahsyat bintang tersebut dalam supernova tipe II.^[47]

Sebanyak 22 radioisotop silikon telah diketahui. Dua yang paling stabil adalah ³²Si dengan waktu paruh sekitar 157 tahun dan ³¹Si dengan waktu paruh 2,62 jam. Semua isotop radioaktif lainnya memiliki waktu paruh kurang dari tujuh detik, dan sebagian besar memiliki waktu paruh kurang dari sepersepuluh detik.^{[43] 32}Si mengalami peluruhan beta berenergi rendah menjadi ³²P, yang kemudian meluruh menjadi ³²S yang stabil. ³¹Si dapat dihasilkan melalui aktivasi neutron pada silikon alami dan karena itu berguna untuk analisis kuantitatif. Isotop ini dapat dengan mudah dideteksi melalui peluruhan beta khasnya menjadi ³¹P yang stabil, di mana elektron yang dipancarkan membawa energi hingga 1,48 MeV.^[14]: 330

Isotop-isotop silikon yang telah diketahui memiliki nomor massa antara 22 hingga 45. Mode peluruhan yang paling umum untuk isotop dengan nomor massa lebih rendah daripada ketiga isotop stabil adalah peluruhan β⁺ menjadi isotop aluminium. Sementara itu, mode peluruhan yang paling umum untuk isotop tidak stabil yang lebih berat adalah peluruhan beta menjadi isotop fosforus.^{[43] 46}Si dilaporkan terbentuk dari tumbukan ⁷⁰Zn dengan Be dalam eksperimen yang dilakukan di Radioactive Isotope Beam Factory.^[48]

Silikon dapat masuk ke lautan melalui air tanah dan aliran sungai. Aliran air tanah dalam jumlah besar memiliki komposisi isotop yang berbeda dari masukan silikon melalui sungai. Variasi isotop dalam aliran air tanah dan sungai turut menyebabkan variasi nilai ³⁰Si di lautan. Saat ini, terdapat perbedaan yang cukup besar dalam nilai isotop air laut dalam di berbagai cekungan samudra dunia. Antara Samudra Atlantik dan Samudra Pasifik, terdapat gradien ³⁰Si pada air laut dalam yang lebih besar dari 0,3 bagian per ribu. ³⁰Si paling sering dikaitkan dengan produktivitas di lautan.^[49]

Sifat kimia dan senyawa

Energi ikatan C–X dan Si–X (kJ/mol)^[14]: 33

X =	C	Si	H	F	Cl	Br	I	O–	N<
C–X	368	360	435	453	351	293	216	~360	~305
Si–X	360	340	393	565	381	310	234	452	322

Silikon kristalin dalam jumlah besar relatif lengai, tetapi menjadi lebih reaktif pada suhu tinggi. Seperti tetangganya, aluminium, silikon membentuk lapisan permukaan tipis dan kontinu berupa silikon dioksida (SiO₂) yang melindungi material di bawahnya dari oksidasi. Karena hal ini, silikon tidak bereaksi secara terukur dengan udara pada suhu di bawah 900 °C. Pada suhu antara 950 °C dan 1.160 °C, laju pembentukan silikon dioksida berbentuk kaca meningkat dengan cepat, dan ketika mencapai 1.400 °C, nitrogen atmosfer juga bereaksi membentuk nitrida SiN dan Si₃N₄. Silikon bereaksi dengan belerang dalam bentuk gas pada suhu 600 °C dan dengan fosforus dalam bentuk gas pada suhu 1.000 °C. Meskipun demikian, lapisan oksida ini tidak mencegah reaksi dengan halogen; fluorin menyerang silikon dengan sangat kuat pada suhu kamar, klorin bereaksi pada sekitar 300 °C, sedangkan bromin dan iodin bereaksi pada sekitar 500 °C. Silikon tidak bereaksi dengan sebagian besar asam berair, tetapi dapat dioksidasi dan membentuk kompleks oleh campuran asam fluorida yang mengandung klorin atau asam nitrat, sehingga menghasilkan heksafluorosilikat. Silikon mudah larut dalam alkali berair panas dan membentuk silikat.^[50] Pada suhu tinggi, silikon juga bereaksi dengan alkil halida; reaksi ini dapat dikatalisis oleh tembaga untuk secara langsung menyintesis klorida organosilikon yang merupakan prekursor bagi polimer silikona. Ketika melebur, silikon menjadi sangat reaktif, berpadu dengan sebagian besar logam untuk membentuk silisida, serta mereduksi sebagian besar oksida logam karena panas pembentukan silikon dioksida sangat besar. Bahkan, silikon cair bereaksi dengan hampir setiap jenis bahan wadah yang diketahui, kecuali oksidanya sendiri, SiO₂.^[51]: 13 Hal ini terjadi karena silikon memiliki gaya ikatan yang tinggi terhadap unsur-unsur ringan dan daya larut yang tinggi terhadap sebagian besar unsur.^[51]: 13 Akibatnya, wadah untuk silikon cair harus dibuat dari bahan tahan api yang tidak reaktif, seperti zirkonium dioksida atau borida golongan 4, 5, dan 6.^[14]: 331

Koordinasi tetrahedral merupakan motif struktural utama dalam kimia silikon, sebagaimana juga terdapat dalam kimia karbon. Namun, subkulit 3p lebih menyebar daripada subkulit 2p dan tidak mengalami hibridisasi dengan subkulit 3s dengan baik. Akibatnya, kimia silikon dan unsur-unsur yang lebih berat dalam golongannya menunjukkan perbedaan yang cukup besar dari karbon.^[52] Oleh karena itu, koordinasi oktahedral juga memiliki peranan penting.^[14]: 335 Sebagai contoh, elektronegativitas silikon (1,90) jauh lebih rendah daripada karbon (2,55) karena elektron valensi silikon berada lebih jauh dari inti atom. Akibatnya, elektron tersebut mengalami gaya tarik elektrostatik yang lebih kecil dari inti. Tumpang tindih orbital 3p yang buruk juga menyebabkan kecenderungan silikon untuk melakukan katenasi (pembentukan ikatan Si–Si) jauh lebih rendah daripada karbon. Hal ini disebabkan oleh melemahnya ikatan Si–Si dibandingkan ikatan C–C:^[39]: 43 energi ikatan rata-rata Si–Si adalah sekitar 226 kJ/mol, sedangkan energi ikatan C–C adalah sekitar 356 kJ/mol.^[14]: 374 Akibatnya, senyawa silikon dengan ikatan rangkap umumnya jauh kurang stabil dibandingkan senyawa karbon yang sepadan. Fenomena ini merupakan salah satu contoh dari aturan ikatan ganda. Di sisi lain, keberadaan simpul radial pada orbital 3p silikon menunjukkan kemungkinan terjadinya hipervalensi, sebagaimana terlihat pada turunan silikon dengan koordinasi lima dan enam, seperti SiX−5 dan SiF2−6.^[53][39] Selain itu, karena kesenjangan energi antara orbital valensi s dan p semakin besar ketika menuruni golongan, keadaan divalen menjadi semakin penting dari karbon hingga timbal. Oleh karena itu, beberapa senyawa silikon divalen yang tidak stabil diketahui telah terbentuk. Penurunan bilangan oksidasi utama ini, bersamaan dengan meningkatnya jari-jari atom, menyebabkan sifat logam meningkat ke arah bawah golongan. Silikon sudah menunjukkan beberapa sifat logam awal, terutama dalam perilaku senyawa oksidanya dan reaksinya dengan asam maupun basa (meskipun reaksi tersebut memerlukan kondisi tertentu). Oleh sebab itu, silikon sering disebut sebagai metaloid, bukan nonlogam.^[39] Germanium menunjukkan sifat logam yang lebih kuat, sedangkan timah pada umumnya dianggap sebagai logam.^[14]: 328

Silikon menunjukkan perbedaan yang jelas dari karbon. Sebagai contoh, kimia organik memiliki sangat sedikit analogi dengan kimia silikon, sedangkan mineral silikat memiliki kompleksitas struktur yang tidak ditemukan pada oksokarbon.^{[14]: 327–328} Silikon cenderung jauh lebih mirip dengan germanium daripada dengan karbon, dan kemiripan ini semakin kuat akibat kontraksi blok-d, yang menyebabkan ukuran atom germanium menjadi jauh lebih dekat dengan ukuran atom silikon daripada yang diperkirakan berdasarkan tren periodik.^{[14]: 359–361} Meskipun demikian, masih terdapat beberapa perbedaan karena keadaan divalen menjadi lebih penting pada germanium dibandingkan silikon. Selain itu, kekuatan ikatan Ge–O yang lebih rendah dibandingkan ikatan Si–O menyebabkan tidak adanya polimer "germanona" yang analog dengan polimer silikona.^[14]: 374

Keterjadian

Silikon merupakan unsur kedelapan yang paling melimpah di alam semesta, setelah hidrogen, helium, oksigen, karbon, neon, besi, dan nitrogen. Hal ini berbeda dengan kelimpahan unsur-unsur di kerak Bumi karena terjadi pemisahan unsur yang cukup besar selama pembentukan Tata Surya. Silikon menyusun 27,2% kerak Bumi berdasarkan massa, berada di urutan kedua setelah oksigen yang mencapai 45,5%. Di alam, silikon selalu berasosiasi dengan oksigen. Fraksinasi lebih lanjut terjadi dalam pembentukan Bumi melalui diferensiasi planet. Inti Bumi, yang menyusun sekitar 31,5% massa Bumi, memiliki komposisi perkiraan Fe₂₅Ni₂Co_0.1S₃. Mantel menyusun sekitar 68,1% massa Bumi dan sebagian besar terdiri atas oksida serta silikat yang lebih rapat, salah satu contohnya adalah olivin, (Mg,Fe)₂SiO₄. Sementara itu, mineral bersilika yang lebih ringan, seperti aluminosilikat, bergerak naik ke permukaan dan membentuk kerak Bumi, yang menyusun sekitar 0,4% massa Bumi.^[14]: 329

Kristalisasi batuan beku dari magma bergantung pada sejumlah faktor, di antaranya komposisi kimia magma, laju pendinginan, serta beberapa sifat mineral yang akan terbentuk, seperti energi kisi, titik lebur, dan kompleksitas struktur kristalnya. Ketika magma mendingin, olivin terbentuk terlebih dahulu, kemudian diikuti oleh piroksen, amfibol, mika biotit, felspar ortoklas, mika muskovit, kuarsa, zeolit, dan akhirnya mineral hidrotermal. Urutan ini menunjukkan kecenderungan terbentuknya unit-unit silikat yang semakin kompleks seiring dengan pendinginan, serta masuknya anion hidroksida dan fluorida selain oksida. Banyak logam dapat menggantikan posisi silikon. Setelah batuan beku tersebut mengalami pelapukan, transportasi, dan pengendapan, terbentuklah batuan sedimen seperti tanah liat, serpih, dan batu pasir. Metamorfisme juga dapat terjadi pada suhu dan tekanan tinggi sehingga menghasilkan variasi mineral yang jauh lebih banyak.^[14]: 329

Terdapat empat sumber utama aliran silikon ke laut, yaitu pelapukan kimia batuan benua, transportasi melalui sungai, pelarutan silikat terestrial yang berasal dari daratan, serta reaksi antara basal bawah laut dan fluida hidrotermal yang melepaskan silikon terlarut. Keempat aliran tersebut saling berhubungan dalam siklus biogeokimia silikon di laut karena semuanya pada awalnya terbentuk dari proses pelapukan kerak Bumi.^[54]

Sekitar 300–900 megaton debu aeolian (debu yang terbawa angin) diendapkan ke lautan dunia setiap tahun. Dari jumlah tersebut, sekitar 80–240 megaton berbentuk silikon partikulat. Jumlah total pengendapan silikon partikulat ke laut masih lebih kecil daripada jumlah silikon yang masuk ke laut melalui transportasi sungai.^[55] Masukan silikon litogenik partikulat yang terbawa angin ke Samudra Atlantik Utara dan Samudra Pasifik Barat Laut berasal dari debu yang mengendap di lautan masing-masing dari Gurun Sahara dan Gurun Gobi.^[54] Transportasi melalui sungai merupakan sumber utama masuknya silikon ke laut di wilayah pesisir, sedangkan pengendapan silikon di laut terbuka sangat dipengaruhi oleh pengendapan debu yang terbawa angin.^[55]

Produksi

Silikon dengan kemurnian 96–99% dibuat dengan mereduksi kuarsit atau pasir secara karbotermal menggunakan kokas dengan kemurnian tinggi. Proses reduksi dilakukan dalam tanur busur listrik dengan menggunakan SiO₂ dalam jumlah berlebih untuk mencegah akumulasi silikon karbida (SiC):^[14]: 330

SiO₂ + 2 C → Si + 2 CO

2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2 CO

Reaksi ini, yang dikenal sebagai reduksi karbotermal silikon dioksida, biasanya dilakukan dengan adanya besi bekas yang mengandung sedikit fosforus dan belerang, sehingga menghasilkan ferosilikon.^[14]: 330 Ferosilikon adalah paduan besi-silikon yang mengandung perbandingan besi dan silikon elemental yang bervariasi. Ferosilikon menyumbang sekitar 80% produksi silikon elemental di dunia. Tiongkok merupakan pemasok utama silikon elemental dengan produksi sekitar 4,6 juta ton (atau sekitar dua pertiga dari produksi dunia), yang sebagian besar berbentuk ferosilikon. Setelah Tiongkok, negara penghasil utama lainnya adalah Rusia (610.000 t), Norwegia (330.000 t), Brasil (240.000 t), dan Amerika Serikat (170.000 t).^[56] Ferosilikon umumnya digunakan oleh industri besi dan baja (lihat di bawah), terutama sebagai bahan paduan dalam besi atau baja dan sebagai bahan untuk menghilangkan oksigen dari baja di pabrik baja terpadu.^[14]: 330 Sebagian besar silikon elemental yang diproduksi tetap berada dalam bentuk paduan ferosilikon, dan hanya sekitar 20% yang dimurnikan hingga mencapai kemurnian tingkat metalurgi, dengan total sekitar 1,3–1,5 juta ton metrik per tahun. Diperkirakan sekitar 15% dari produksi silikon tingkat metalurgi dunia kemudian dimurnikan lebih lanjut hingga mencapai kemurnian tingkat semikonduktor.^[57]

Reaksi lain yang terkadang digunakan adalah reduksi aluminotermal silikon dioksida, sebagai berikut:^[58]: 574

3 SiO₂ + 4 Al → 3 Si + 2 Al₂O₃

Pelindian silikon bubuk dengan kemurnian 96–97% menggunakan air menghasilkan silikon dengan kemurnian sekitar 98,5%, yang digunakan dalam industri kimia. Namun, untuk aplikasi semikonduktor diperlukan tingkat kemurnian yang jauh lebih tinggi. Silikon dengan kemurnian tersebut dihasilkan melalui reduksi tetraklorosilana (silikon tetraklorida) atau triklorosilana. Tetraklorosilana dibuat dengan mengklorinasi silikon bekas, sedangkan triklorosilana merupakan produk samping dari produksi silikon. Senyawa-senyawa tersebut bersifat mudah menguap sehingga dapat dimurnikan melalui distilasi fraksional berulang. Setelah itu, senyawa tersebut direduksi menjadi silikon elemental menggunakan logam seng yang sangat murni sebagai zat pereduksi. Potongan silikon berbentuk spons yang dihasilkan kemudian dileburkan dan ditumbuhkan menjadi kristal tunggal berbentuk silinder, sebelum dimurnikan lebih lanjut melalui pemurnian zona. Metode lainnya menggunakan dekomposisi termal monosilana atau tetraiodosilana (SiI₄). Proses lain yang juga digunakan adalah reduksi natrium heksafluorosilikat, yang merupakan produk limbah umum dari industri pupuk fosfat, menggunakan natrium logam. Reaksi ini sangat eksoterm sehingga tidak memerlukan sumber energi dari luar. Silikon dengan kemurnian sangat tinggi dibuat dengan tingkat kemurnian yang lebih tinggi daripada hampir semua material lainnya. Produksi transistor memerlukan kadar pengotor dalam kristal silikon kurang dari 1 bagian dalam 10¹⁰. Dalam kasus tertentu, kadar pengotor bahkan harus berada di bawah 1 bagian dalam 10¹² dan tingkat kemurnian tersebut dapat dicapai.^[14]: 330

Nanostruktur silikon dapat diproduksi secara langsung dari pasir silika menggunakan proses metalotermal konvensional atau pendekatan sintesis melalui pembakaran. Material silikon berstruktur nano tersebut dapat digunakan dalam berbagai aplikasi fungsional, termasuk sebagai anoda pada baterai ion litium (LIB), baterai ion lainnya, perangkat komputasi masa depan seperti memristor, serta aplikasi fotokatalitik.^[59]

Aplikasi

Senyawa

Sebagian besar silikon digunakan dalam industri tanpa melalui proses pemurnian, dan sering kali hanya mengalami sedikit pengolahan dari bentuk alaminya. Lebih dari 90% kerak Bumi tersusun atas mineral silikat, yaitu senyawa silikon dan oksigen yang sering kali mengandung ion logam ketika anion silikat bermuatan negatif membutuhkan kation untuk menyeimbangkan muatannya. Banyak mineral silikat memiliki kegunaan komersial secara langsung, seperti tanah liat, pasir silika, dan sebagian besar jenis batu bangunan. Oleh karena itu, sebagian besar penggunaan silikon adalah dalam bentuk senyawa struktural, baik sebagai mineral silikat maupun silika (silikon dioksida mentah). Silikat digunakan dalam pembuatan semen Portland, yang sebagian besar tersusun atas kalsium silikat. Semen ini digunakan untuk membuat mortar bangunan dan plester modern. Yang lebih penting, semen Portland dikombinasikan dengan pasir silika dan kerikil, yang biasanya mengandung mineral silikat seperti granit, untuk menghasilkan beton. Beton merupakan bahan dasar bagi sebagian besar proyek pembangunan industri berskala sangat besar di dunia modern.^[14]: 356

Silika digunakan untuk membuat bata tahan api, yaitu salah satu jenis keramik. Mineral silikat juga terdapat dalam keramik whiteware, yaitu kelompok penting produk keramik yang biasanya mengandung berbagai jenis mineral lempung yang telah dibakar, terutama mineral filuminosilikat aluminium alami. Salah satu contohnya adalah porselen, yang berbahan dasar mineral silikat kaolinit. Kaca tradisional (kaca soda–kapur berbasis silika) juga memiliki banyak fungsi yang sama dan digunakan untuk membuat jendela serta wadah. Selain itu, serat kaca khusus berbasis silika digunakan untuk membuat serat optik, serta digunakan dalam pembuatan kaca serat sebagai penyangga struktural dan wol kaca sebagai bahan insulasi termal.^{[butuh rujukan]}

Silikona sering digunakan dalam berbagai perlakuan kedap air, bahan cetak, bahan pelepas cetakan, segel mekanis, gemuk dan malam tahan suhu tinggi, serta bahan penutup celah. Silikona juga terkadang digunakan dalam implan payudara, lensa kontak, bahan peledak, dan bahan piroteknik.^[60] Silly Putty pada awalnya dibuat dengan menambahkan asam borat ke dalam minyak silikona.^[61] Senyawa silikon lainnya berfungsi sebagai bahan abrasif berteknologi tinggi dan digunakan dalam pembuatan keramik baru berkekuatan tinggi yang berbasis silikon karbida. Silikon juga merupakan salah satu komponen dalam beberapa jenis paduan super.

Paduan

Silikon elemental ditambahkan ke dalam besi cair dalam bentuk paduan ferosilikon untuk meningkatkan kinerja dalam pengecoran bagian-bagian yang tipis dan mencegah terbentuknya sementit pada bagian yang terpapar udara luar. Kehadiran silikon elemental dalam besi cair berfungsi sebagai penyerap oksigen, sehingga kadar karbon dalam baja, yang harus dipertahankan dalam batas yang sempit untuk setiap jenis baja, dapat dikendalikan dengan lebih baik.^[62] Sekitar 75% ferosilikon yang diproduksi digunakan dalam industri baja.^[58]: 598 Silikon merupakan komponen penting dalam baja transformator karena dapat memengaruhi resistivitas dan sifat feromagnetiknya.^[58]: 598

Sifat-sifat silikon juga dapat digunakan untuk memodifikasi paduan dengan logam selain besi. Silikon "tingkat metalurgi" adalah silikon dengan kemurnian 95–99%. Sekitar 55% konsumsi silikon tingkat metalurgi dunia digunakan untuk menghasilkan paduan aluminium–silikon (paduan silumin) untuk pengecoran komponen aluminium, terutama untuk digunakan dalam industri otomotif. Silikon sangat penting dalam pengecoran aluminium karena kandungan silikon yang cukup tinggi dalam aluminium dapat membentuk campuran eutektik yang membeku dengan sangat sedikit penyusutan termal. Hal ini secara signifikan mengurangi robekan dan retakan yang terbentuk akibat tegangan ketika paduan hasil pengecoran mendingin hingga menjadi padat. Silikon juga secara signifikan meningkatkan kekerasan dan, dengan demikian, ketahanan aus aluminium.^[63][57] Silikon tingkat metalurgi dibuat dengan meleburkan kuarsa atau kuarsit dalam tungku busur listrik berukuran besar melalui proses reduksi karbotermal. Proses ini menggunakan bahan yang mengandung karbon, seperti batu bara, kokas, arang, dan serpihan kayu untuk membantu sirkulasi gas. Teknik produksi tanpa menggunakan besi ini sering digunakan untuk menghasilkan polisilikon yang digunakan dalam fotovoltaik dan juga semikonduktor.^{[64][65][66][67]}

Elektronika

Perangkat semikonduktor silikon memungkinkan berkembangnya teknologi informasi modern. Aplikasi elektroniknya sangat luas, mencakup mikroelektronika, komputasi, optoelektronika, dan nanoteknologi.^[68]: 25 Di antara banyak keunggulan silikon untuk bidang elektronika adalah biaya yang rendah, kemampuannya membentuk kristal tunggal murni berukuran besar, tidak getas, mampu menghantarkan panas yang dihasilkan oleh aktivitas listrik dengan baik, dapat dibuat menjadi struktur mikro dan dimodifikasi dalam berbagai lapisan, serta oksidanya merupakan insulator yang sangat baik.^[68]: 40

Diperkirakan sekitar 15% produksi silikon tingkat metalurgi dunia dimurnikan hingga mencapai kemurnian tingkat semikonduktor.^[57] Biasanya silikon ini memiliki kemurnian 99,9999999%,^[69] berupa material kristal tunggal yang hampir bebas cacat.^[70]

Silikon monokristalin dengan kemurnian tersebut biasanya diproduksi melalui proses Czochralski dan digunakan untuk menghasilkan wafer silikon yang digunakan dalam industri semikonduktor, elektronika, serta beberapa aplikasi fotovoltaik berbiaya tinggi dan berefisiensi tinggi.^[58]: 590 Silikon murni merupakan semikonduktor intrinsik, yang berarti bahwa berbeda dengan logam, silikon menghantarkan lubang elektron dan elektron yang dilepaskan dari atom akibat panas. Konduktivitas listrik silikon intrinsik meningkat seiring dengan kenaikan suhu karena pelebaran distribusi Fermi–Dirac. Silikon murni memiliki konduktivitas yang terlalu rendah (atau resistivitas yang terlalu tinggi) untuk digunakan sebagai elemen rangkaian dalam elektronika. Dalam praktiknya, silikon didoping dengan konsentrasi kecil unsur-unsur yang memiliki jumlah elektron valensi berbeda, biasanya boron dan fosforus. Hal ini sangat meningkatkan konduktivitasnya dan menyesuaikan respons listriknya dengan mengendalikan jumlah serta jenis (positif atau negatif) pembawa muatan yang aktif. Pengendalian tersebut diperlukan untuk transistor, sel surya, detektor semikonduktor, dan perangkat semikonduktor lainnya yang digunakan dalam industri komputer serta berbagai aplikasi teknis lainnya.^[58]: 573 Dalam fotonika silikon, silikon dapat digunakan sebagai medium laser Raman gelombang kontinu untuk menghasilkan cahaya koheren.^[71]

Dalam sirkuit terpadu pada umumnya, wafer silikon monokristalin (Si) berfungsi sebagai penyangga mekanis bagi rangkaian. Elemen-elemen rangkaian (transistor) dibuat melalui doping dan dipasivasi dengan lapisan tipis silikon oksida, yaitu insulator yang mudah dihasilkan pada permukaan Si melalui proses oksidasi termal atau pengendapan uap kimia (CVD), di antara metode lainnya. Oksidasi termal merupakan metode yang paling umum dan melibatkan pemaparan Si terhadap oksigen dalam kondisi tertentu. Ketebalan oksida yang dihasilkan dapat diprediksi menggunakan model Deal–Grove. Silikon merupakan material yang paling populer untuk sirkuit terpadu karena memiliki stabilitas tinggi dan mudah membentuk oksida alaminya (SiO₂). Oksida insulator silikon tidak larut dalam air, sehingga memberikan keunggulan dibandingkan germanium.^[72] Germanium (Ge) digunakan pada versi pertama transistor dan memiliki sifat elektronik yang mirip dengan silikon, seperti mobilitas pembawa muatan dan celah pita. Namun, teknologi berbasis Ge pada akhirnya tidak berhasil karena ketidakstabilan GeO₂. Germanium masih digunakan dalam elektronika semikonduktor modern sebagai dopan untuk meningkatkan mobilitas lubang pada bagian source dan drain pMOS.

Silikon monokristalin mahal untuk diproduksi dan biasanya penggunaannya dibenarkan terutama dalam produksi sirkuit terpadu, karena cacat kristal yang sangat kecil dapat mengganggu jalur rangkaian yang juga sangat kecil.^[73] Untuk penggunaan lainnya, jenis silikon murni yang berbeda dapat digunakan. Jenis tersebut meliputi silikon amorf terhidrogenasi dan silikon tingkat metalurgi yang telah ditingkatkan (UMG-Si). Keduanya digunakan dalam produksi elektronika berbiaya rendah dengan area yang luas, seperti pada LCD dan sel surya film tipis berukuran besar berbiaya rendah. Silikon tingkat semikonduktor tersebut memiliki kemurnian yang sedikit lebih rendah atau berbentuk polikristalin, bukan monokristalin. Silikon ini diproduksi dalam jumlah yang sebanding dengan silikon monokristalin, yaitu sekitar 75.000–150.000 ton metrik per tahun. Pasar untuk silikon dengan tingkat kemurnian yang lebih rendah berkembang lebih cepat daripada pasar silikon monokristalin. Pada tahun 2013, produksi silikon polikristalin, yang sebagian besar digunakan dalam sel surya, diproyeksikan mencapai 200.000 ton metrik per tahun, sedangkan produksi silikon monokristalin tingkat semikonduktor diperkirakan tetap di bawah 50.000 ton per tahun.^[57]

Titik kuantum

Titik kuantum silikon dibuat melalui pemrosesan termal hidrogen silseskuioksana menjadi nanokristal yang berukuran mulai dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer. Nanokristal ini menunjukkan sifat luminesensi yang bergantung pada ukuran.^[74][75] Nanokristal tersebut memiliki pergeseran Stokes yang besar, yang mengubah foton dalam rentang ultraungu menjadi foton dalam rentang cahaya tampak atau inframerah, bergantung pada ukuran partikelnya. Hal ini memungkinkan penggunaannya dalam penampil titik kuantum dan konsentrator surya luminesen karena kemampuan swaabsorpsinya yang terbatas. Salah satu keuntungan penggunaan titik kuantum berbasis silikon dibandingkan titik kuantum berbasis kadmium atau indium adalah sifat silikon yang tidak beracun dan bebas dari logam.^[76][77] Aplikasi lain dari titik kuantum silikon adalah untuk mendeteksi bahan berbahaya. Sensor tersebut memanfaatkan sifat luminesensi titik kuantum melalui proses quenching fotoluminesensi ketika terdapat zat berbahaya.^[78] Terdapat berbagai metode yang digunakan untuk mendeteksi bahan kimia berbahaya, beberapa di antaranya adalah transfer elektron, transfer energi resonansi fluoresensi, dan pembangkitan arus foto.^[79] Quenching melalui transfer elektron terjadi ketika orbital molekul tak terisi terendah (LUMO) memiliki energi yang sedikit lebih rendah daripada pita konduksi titik kuantum. Kondisi ini memungkinkan terjadinya transfer elektron di antara keduanya sehingga mencegah rekombinasi lubang dan elektron di dalam nanokristal. Efek yang sama juga dapat terjadi secara terbalik, yaitu ketika molekul donor memiliki orbital molekul terisi tertinggi (HOMO) yang energinya sedikit lebih tinggi daripada tepi pita valensi titik kuantum. Kondisi ini memungkinkan elektron berpindah di antara keduanya, mengisi lubang dan mencegah terjadinya rekombinasi. Transfer energi resonansi fluoresensi terjadi ketika terbentuk kompleks antara titik kuantum dan molekul quencher. Kompleks tersebut tetap menyerap cahaya, tetapi ketika energi dikonversi kembali ke keadaan dasar, energi tersebut tidak dilepaskan dalam bentuk foton sehingga terjadi quenching pada material. Metode ketiga menggunakan pendekatan yang berbeda, yaitu dengan mengukur arus foto yang dipancarkan oleh titik kuantum, bukan dengan memantau emisi fotoluminesensinya. Jika konsentrasi bahan kimia yang ingin dideteksi meningkat, maka arus foto yang dihasilkan oleh nanokristal akan berubah sebagai respons terhadap peningkatan konsentrasi tersebut.^[80]

Penyimpanan energi termal

Silikon dalam bentuk padat maupun cair menawarkan suhu penyimpanan yang jauh lebih tinggi dibandingkan garam, sehingga memiliki kapasitas dan efisiensi yang lebih besar. Teknologi ini sedang diteliti sebagai salah satu teknologi penyimpanan energi yang berpotensi lebih hemat energi. Silikon mampu menyimpan lebih dari 1 MWh energi per meter kubik pada suhu 1.400 °C. Keuntungan lainnya adalah silikon relatif melimpah dibandingkan dengan garam yang digunakan untuk tujuan yang sama.^[81][82]

Teknologi penyimpanan energi termal menggunakan silikon panas mampu menyimpan energi termal dalam jumlah besar pada suhu yang sangat tinggi, sekitar 1.400–2.000 °C. Teknologi ini memanfaatkan silikon cair yang berpijar putih untuk menyimpan kelebihan listrik yang dihasilkan dari sumber energi terbarukan di sekitarnya, seperti energi surya dan tenaga angin. Sistem ini memungkinkan penyimpanan energi yang lebih efisien, berbiaya lebih rendah, dan memiliki durasi penyimpanan yang lebih lama dibandingkan dengan metode penyimpanan panas sensibel lainnya.^[83]

Peran biologis

Meskipun silikon tersedia dalam jumlah melimpah dalam bentuk silikat, sangat sedikit organisme yang menggunakannya secara langsung. Diatom, radiolaria, dan spons bersilika menggunakan silika biogenik (bSi) sebagai bahan struktural untuk kerangka tubuhnya. Beberapa tumbuhan mengakumulasi silika di dalam jaringannya dan membutuhkan silikon untuk pertumbuhannya, misalnya padi. Silikon dapat diserap oleh tumbuhan dalam bentuk asam monosilikat (juga dikenal sebagai asam ortosilikat) dan kemudian diangkut melalui xilem. Di dalam jaringan tumbuhan, silikon membentuk kompleks amorf dengan komponen dinding sel. Hal ini terbukti dapat meningkatkan kekuatan dan integritas struktural dinding sel pada beberapa tumbuhan, sehingga mengurangi serangan serangga herbivora dan infeksi oleh patogen. Pada tumbuhan tertentu, silikon juga dapat meningkatkan produksi senyawa organik volatil dan fitohormon yang berperan penting dalam mekanisme pertahanan tumbuhan.^[84][85][86] Pada tumbuhan tingkat tinggi, fitolit silika (opal) memberikan dukungan struktural.^[87][88][85]

Beberapa tanaman hortikultura diketahui mampu melindungi diri dari patogen jamur dengan menggunakan silika, bahkan sampai pada tingkat di mana penggunaan fungisida dapat gagal jika tidak disertai dengan asupan silikon yang cukup. Molekul pertahanan tumbuhan yang mengandung silika dapat mengaktifkan beberapa fitoaleksin, yaitu zat sinyal yang menghasilkan kekebalan yang diperoleh. Ketika kekurangan silikon, beberapa tumbuhan akan menggantinya dengan meningkatkan produksi zat pertahanan lainnya.^[85]

Kehidupan di Bumi sebagian besar tersusun atas karbon, tetapi astrobiologi mempertimbangkan kemungkinan bahwa kehidupan di luar Bumi mungkin memiliki jenis biokimia lain. Silikon dianggap sebagai salah satu alternatif pengganti karbon karena silikon dapat membentuk molekul kompleks dan stabil dengan empat ikatan kovalen, yang diperlukan untuk membentuk analog DNA, dan silikon juga tersedia dalam jumlah besar.^[89]

Pengaruh mikroba laut

Diatom menggunakan silikon dalam bentuk silika biogenik.^[90] Silikon diserap oleh protein pengangkut silikon (SIT) dan sebagian besar digunakan dalam struktur dinding sel dalam bentuk frustul.^[91] Silikon memasuki lautan dalam bentuk terlarut, seperti asam silikat atau silikat.^[92] Karena diatom merupakan salah satu organisme utama yang menggunakan bentuk-bentuk silikon tersebut, diatom sangat berperan dalam memengaruhi konsentrasi silikon di seluruh lautan. Silikon memiliki pola distribusi seperti nutrien di lautan akibat produktivitas diatom pada kedalaman yang dangkal.^[92] Oleh karena itu, konsentrasi silikon lebih rendah di laut dangkal dan lebih tinggi di laut dalam.

Produktivitas diatom di lapisan atas laut berkontribusi terhadap jumlah silikon yang diekspor ke lapisan laut yang lebih dalam.^[93] Ketika sel-sel diatom mengalami lisis di lapisan atas laut, nutrien yang terkandung di dalamnya, seperti besi, seng, dan silikon, dibawa ke lapisan laut yang lebih dalam melalui proses yang disebut salju laut. Salju laut merupakan proses perpindahan materi organik partikulat ke bawah melalui pencampuran vertikal materi organik terlarut.^[94] Telah dikemukakan bahwa silikon sangat penting bagi produktivitas diatom. Selama tersedia asam silikat yang dapat digunakan oleh diatom, diatom juga dapat berkontribusi terhadap konsentrasi nutrien penting lainnya di laut dalam.^[95]

Di wilayah pesisir, diatom merupakan organisme fitoplankton utama dan memberikan kontribusi besar terhadap produksi silika biogenik. Namun, di laut terbuka, peran diatom dalam produksi silika global tahunan lebih kecil. Diatom di wilayah pusaran subtropis Atlantik Utara dan Pasifik Utara hanya berkontribusi sekitar 5–7% terhadap produksi silika laut global setiap tahunnya. Samudra Selatan menghasilkan sekitar sepertiga dari seluruh silika biogenik laut global.^[54] Samudra Selatan disebut memiliki "pemisah biogeokimia"^[96] karena hanya sejumlah silikon yang sangat kecil yang dapat keluar dari wilayah ini.

Nutrisi manusia

Terdapat beberapa bukti bahwa silikon penting bagi kesehatan manusia, terutama untuk jaringan kuku, rambut, tulang, dan kulit.^[97] Misalnya, beberapa penelitian menunjukkan bahwa wanita pramenopause yang memiliki asupan silikon dari makanan lebih tinggi memiliki kepadatan tulang yang lebih tinggi. Selain itu, suplementasi silikon dapat meningkatkan volume dan kepadatan tulang pada pasien osteoporosis.^[98] Silikon dibutuhkan untuk sintesis elastin dan kolagen. Aorta merupakan bagian tubuh manusia yang mengandung elastin dan kolagen dalam jumlah paling besar.^[99] Silikon juga telah dianggap sebagai unsur esensial bagi manusia.^[100] Namun, sulit untuk membuktikan bahwa silikon benar-benar esensial karena silikon sangat umum ditemukan di lingkungan, sehingga gejala kekurangannya sulit untuk ditimbulkan atau diteliti secara konsisten.^[101][102]

Silikon diakui sebagai "unsur nutrisi" oleh International Plant Nutrition Institute (IPNI) dan sebagai "zat yang bermanfaat" oleh Association of American Plant Food Control Officials.^[103]

Keamanan

Seseorang dapat terpapar silikon elemental di tempat kerja dengan menghirupnya, menelannya, atau melalui kontak dengan kulit maupun mata. Dalam dua kasus terakhir, yaitu jika tertelan atau terkena kulit/mata, silikon menimbulkan bahaya ringan sebagai zat iritan. Namun, silikon berbahaya jika terhirup.^[104] Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Kerja AS (OSHA) telah menetapkan batas paparan yang diperbolehkan (permissible exposure limit, PEL) secara hukum untuk silikon di tempat kerja sebesar 15 mg/m³ untuk paparan total dan 5 mg/m³ untuk paparan melalui saluran pernapasan selama delapan jam kerja. Institut Nasional untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja AS (NIOSH) menetapkan batas paparan yang direkomendasikan (recommended exposure limit, REL) sebesar 10 mg/m³ untuk paparan total dan 5 mg/m³ untuk paparan melalui saluran pernapasan selama delapan jam kerja.^[105] Menghirup debu silika kristalin dapat menyebabkan silikosis, yaitu penyakit paru-paru akibat pekerjaan yang ditandai dengan peradangan dan terbentuknya jaringan parut berupa lesi nodular pada bagian lobus atas paru-paru.^[106]

Lihat pula

• Portal Kimia

Referensi

Pranala luar

• "Silicon Video - The Periodic Table of Videos - University of Nottingham". www.periodicvideos.com. Diakses tanggal 30 Agustus 2026.
• (Inggris) "CDC - NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards - Silicon". www.cdc.gov. Diakses tanggal 30 Agustus 2026.
• (Inggris) "Physical properties of Silicon (Si)". www.ioffe.ru. Diakses tanggal 30 Agustus 2026.
• (Inggris) The Story of Solar-Grade Silicon. Asianometry. 30 November 2022.{{cite AV media}}: Pemeliharaan CS1: Tanggal diterjemahkan otomatis (link)

l b s Tabel periodik (besar)
	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	H																															He
2	Li	Be																									B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg																									Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca															Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr															Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og
Logam alkali Logam alkali tanah Lan­tanida Aktinida Logam transisi Logam miskin Metaloid Nonlogam poliatomik Nonlogam diatomik Gas mulia Sifat kimia belum diketahui