Mengapa kerak bumi terbuat dari silikat?
Silikon memiliki empat elektron valensi dan membentuk empat ikatan, sama seperti karbon. Namun sementara ikatan karbon-karbon bersaing baik dengan karbon-oksigen, pada silikon tidak ada persaingan.
Ikatan silikon-oksigen mencapai 452 kJ/mol; silikon-silikon berhenti pada 222. Senyawa silikon apa pun dengan adanya oksigen selalu cenderung berubah tak berbalik menjadi oksida.
Karena Bumi memiliki oksigen berlimpah, hasilnya sudah dapat diduga: silikon hampir seluruhnya terikat sebagai silikat.
Satuan strukturnya adalah tetrahedron SiO₄⁴⁻, satu silikon yang dikelilingi empat oksigen. Tetrahedron itu bergabung dengan berbagi sudut, dan dari beragam cara menggabungkannya lahirlah semua keluarga mineral.
Tetrahedron terpisah menghasilkan olivin. Rantai tunggal menghasilkan piroksen, rantai ganda amfibol. Lembaran menghasilkan mika dan lempung, yang mengelupas justru karena lembarannya mudah terpisah. Jaringan tiga dimensi yang lengkap menghasilkan kuarsa dan feldspar.
Hampir seluruh geologi adalah akibat dari bagaimana tetrahedron ini bertumpuk.
Apa artinya bersifat semikonduktor?
Dalam logam, pita hantaran dan pita valensi bertindihan dan elektron bergerak bebas. Dalam penyekat, keduanya dipisahkan celah yang terlalu lebar untuk dilewati apa pun.
Silikon berada di tengah: celah pitanya 1,12 elektronvolt. Pada suhu ruang, sebagian sangat kecil elektron memiliki energi termal yang cukup untuk melompatinya. Silikon murni menghantar sangat sedikit, tetapi ia bukan penyekat.
Yang penting bukan daya hantar bawaan itu melainkan bahwa ia dapat diatur.
Penambahan pengotor berarti mengganti satu atom silikon di antara sejuta dengan unsur lain. Dengan fosfor, yang memiliki lima elektron valensi, tersisa satu elektron yang hampir bebas: itulah silikon tipe n. Dengan boron, yang memiliki tiga, kurang satu dan tersisalah lubang yang berperilaku sebagai muatan positif yang bergerak: tipe p.
Sambungan antara daerah p dan daerah n meloloskan arus dalam satu arah dan tidak dalam arah sebaliknya. Itulah dioda. Dengan menggabungkan tiga daerah dan mengendalikan yang di tengah memakai medan listrik, diperolehlah transistor, sakelar tanpa bagian bergerak.
Prosesor modern memuat puluhan miliar sakelar semacam itu dalam beberapa sentimeter persegi.
Mengapa silikon dan bukan semikonduktor lain?
Germanium memiliki sifat elektronik murni yang lebih baik: elektronnya bergerak lebih cepat. Transistor pertama, pada 1947, terbuat dari germanium.
Industri berpindah ke silikon pada tahun enam puluhan karena alasan yang tidak berkaitan dengan semikonduktornya melainkan dengan oksidanya.
Silikon dioksida tumbuh di atas silikonnya sendiri hanya dengan memanaskannya dalam atmosfer oksigen. Lapisan yang terbentuk adalah penyekat yang sangat baik, stabil secara kimia, melekat, dan ketebalannya dapat diatur dengan ketelitian atom.
Itu memungkinkan pembuatan transistor MOS, yang gerbangnya dipisahkan dari kanalnya oleh lapisan oksida. Tanpa penyekat asli itu, arsitekturnya tidak ada.
Germanium oksida, sebaliknya, larut dalam air dan kurang stabil. Keunggulan elektronik germanium tidak sepadan dengan ketiadaan oksida yang dapat dipakai.
Ditambah lagi silikon sangat murah dan dapat dimurnikan sampai tingkat ekstrem. Silikon mutu elektronik memiliki kurang dari satu atom pengotor per miliar, dan diperoleh lewat proses Siemens lalu lewat penumbuhan kristal tunggal dengan metode Czochralski, yang menarik perlahan silinder kristal tunggal dari lelehan.
Mungkinkah ada kehidupan berbasis silikon?
Gagasannya sudah lama dan jawabannya tampaknya tidak, karena dua alasan yang tegas.
Yang pertama adalah katenasi. Kehidupan memerlukan molekul besar dan beragam, yang menuntut rantai stabil dari atom sejenis. Ikatan silikon-silikon, 222 kJ/mol, terlalu lemah: rantai silana yang panjang mudah terurai dan terbakar sendiri di udara.
Yang kedua adalah limbah metabolisme. Metabolisme oksidatif berbasis karbon menghasilkan CO₂, gas larut yang dihembuskan tanpa susah payah. Padanannya pada silikon adalah SiO₂, padatan bertitik lebur 1 710 °C. Organisme silikon tidak akan dapat membuang limbahnya.
Silikon juga tidak membentuk ikatan ganda yang efektif, karena orbital p-nya terlalu menyebar untuk bertumpang-tindih baik dari samping. Tanpa ikatan rangkap dua tidak ada gugus karbonil, tidak ada asam amino, tidak ada basa bernitrogen.
⚠️ Menariknya, kehidupan memang memakai silikon, meski bukan sebagai kerangka molekul. Diatom membangun cangkang silika dengan kerumitan geometri yang mencolok, dan penumpukannya membentuk tanah diatom. Tumbuhan memasukkan silika ke dalam jaringannya untuk mengeraskannya: tepi sehelai daun rumput mengiris karena ia memuat butiran silika.
Apa kegunaan lainnya?
Sebagian besar silikon industri tidak menuju cip. Sebagian terbesar dipakai sebagai ferosilikon, paduan dengan besi yang ditambahkan ke baja sebagai deoksidan dan untuk memperbaiki sifat magnetiknya. Baja listrik pada transformator mengandung sekitar 3 % silikon.
Silikon metalurgi, dengan kemurnian 98-99 %, juga dipakai dalam paduan aluminium untuk pengecoran, tempat ia memperbaiki kemampuan alirnya.
Silikona adalah polimer dengan rantai utama silikon dan oksigen berselang-seling, dengan gugus organik di sisinya. Perpaduan itu memberinya kestabilan termal dan kimia sekaligus kelenturan, dan dari sanalah pemakaiannya pada paking, perekat, pelumas, kosmetika, dan implan.
Fotovoltaik memakai silikon berkemurnian antara mutu metalurgi dan mutu elektronik. Sel surya pada dasarnya adalah sambungan p-n yang besar: cahaya menghasilkan pasangan elektron-lubang dan medan dalam sambungannya memisahkan keduanya sebelum bergabung kembali.
Kaca, semen, dan keramik semuanya bahan silikat, dan secara keseluruhan volumenya jauh melampaui elektronika.