Silicium
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2008-07-19T15:20:29Z
CarsracBot
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robot Ajoute: [[kn:ಸಿಲಿಕಾನ್]]
{{Élément/Silicium}}
Le '''silicium''' est un [[élément chimique]] de la famille des [[cristallogène]]s, de [[liste des éléments par symbole|symbole]] [[Silicium|Si]] et de [[numéro atomique]] 14.
C'est l'élément le plus abondant sur la [[Terre]] après l'[[oxygène]], soit {{unité|25.7|%}} de sa masse<ref>[http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Si/key.html WebElements Periodic Table of the Elements | Silicon | Essential information<!-- Titre généré automatiquement -->]</ref>. Il n'existe pas à l'état libre mais sous forme de composés : sous forme de dioxyde, la [[silice]] (dans le [[sable]], le [[Quartz (minéral)|quartz]], la [[cristobalite]], etc . . .) ou de [[silicate]]s (dans les [[feldspath]], la [[kaolinite]], etc.).
Il est utilisé depuis longtemps sous forme d'oxyde de silicium amorphe (silice ou SiO2) comme composant essentiel du [[verre]]. Il a de nouveaux usages en électronique, pour la production de matériaux tels que les silicones ou pour fabriquer des modules solaires [[photovoltaïque]]s.
Le nom dérive du latin ''silex'', ce qui signifie caillou ou [[silex]].
== Caractéristiques ==
[[Image:Silizium pulver.jpg|150px|left|thumb|Poudre de silicium]]
[[Image:Silicon poly 640x480.jpg|150px|left|thumb|Polycristal de silicium]]
Les [[Cristal|cristaux]] de silicium sont gris à noirs, en forme d'aiguille ou d'[[hexaèdre]]s (forme cubique). La [[matière amorphe|phase amorphe]] est une poudre marron foncée.
Le silicium est un [[semi-conducteur]] d'[[électricité]], sa conductivité électrique est très inférieure à celle des métaux.
Il est quasi [[insoluble]] dans l'[[eau]]. Il est attaqué par l'[[acide fluorhydrique]] (HF) ou un mélange acide fluorhydrique/[[acide nitrique]] (HNO<sub>3</sub>) en fonction de la phase.
Le silicium présente des reflets métalliques bleutés, mais n'est pas du tout aussi [[ductile]] que les métaux.
Il existe trois [[isotope]]s naturels du silicium: <sup>28</sup>Si (92,18%), <sup>29</sup>Si(4,71%) et <sup>30</sup>Si(3,12%). Il existe également des isotopes artificiels instables : <sup>25</sup>Si, <sup>26</sup>Si et <sup>27</sup>Si qui sont [[Radioactivité β|émetteurs β{{exp|+}}]], ainsi que <sup>31</sup>Si à <sup>34</sup>Si qui sont émetteurs β{{exp|-}}.
== Cristallographie ==
[[Image:Silicon-unit-cell-3D-balls.png|thumb|maille élémentaire de type diamant du silicium]]
Le silicium, comme le [[germanium]] et la forme [[diamant]] du [[carbone]] a une structure de type « [[diamant (cristal)|diamant]] », forme dérivée de la structure [[cubique à faces centrées|cubique faces centrées]] (cfc), avec un paramètre de maille de 0.5430710 nm.<ref>O'Mara, William C., ''Handbook of Semiconductor Silicon Technology '' (pages 349-352), 1990, ISBN-0815512376 </ref>
==Découverte==
Un des composés du silicium, la [[silice]] (dioxyde de silicium), était déjà connu dans l'Antiquité. La silice a été considérée comme élément par les [[alchimiste]]s puis les chimistes. C'est un composé très abondant dans les minéraux.
Du silicium a été isolé pour la première fois en [[1823]] par [[Jöns Jacob Berzelius]]. Ce n'est qu'en [[1854]] que [[Henry Sainte-Claire Deville]] obtient du silicium cristallin.
==Utilisations==
=== Alliages Aluminium-Silicium===
La principale utilisation du silicium en tant que corps simple est comme élément d'[[alliage]] avec l'[[aluminium]]. Les alliages [[alliages d'aluminium pour fonderie|Aluminium-Silicium]] ('''AS''' ou série 40000 ''suivant NF EN 1780-1'') sont utilisés pour l'élaboration de [[fonderie d'aluminium|pièces moulées]], en particulier pour l'[[automobile]] (par exemple jantes en alliage) et l'[[aéronautique]] (par exemple éléments de moteurs électriques embarqués). Les alliages Aluminium-Silicium représentent à peu près 55 % de la consommation mondiale de silicium.
=== Synthèse des silicones===
{{Article détaillé|Silicone}}
La synthèse des silicones représente également une utilisation importante du silicium (environ 40 % de la consommation). Ces polymères [(CH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>SiO]<sub>n</sub> sont utilisés dans des [[mastic]]s pour joint, des graisses résistantes à l'eau ou conductrices de la chaleur, les poudres lessivielles ou les shampoings conditionneurs, etc.
===Semi-conducteur===
Les propriétés de [[semi-conducteur]] du silicium ont permis la création de la deuxième génération de [[transistor]]s, puis les circuits intégrés (les « puces »). C'est aujourd'hui encore l'un des éléments essentiels pour l'[[électronique]], notamment grâce à la capacité technologique actuelle permettant d'obtenir du silicium pur à plus de 99,99999% ([[tirage Czochralski]], zone fondue flottante).
La magie de la lithographie sur silicium : les productions commerciales courantes (2007) de circuit intégré réalisent la prouesse d'une finesse de gravure de 45 nm sur des plaques de 30 cm (12 pouces, la taille d'un disque 33 tours). Ce qui permettrait de graver 600 millions de sillons (soit un disque de 20 millions de minutes, environ 40 ans de musique, ou bien de l'ordre de 20 milliards de chansons au format numérique [[Ogg Vorbis]]).
=== Photovoltaïque ===
[[Image:Solar cell.png|right|250px|thumb|Cellule photovoltaïque en silicium]]
{{Article détaillé|Cellule photovoltaïque}}
En tant que [[semi-conducteur]], le silicium est aussi l'élément principal utilisé pour la fabrication de cellules solaires [[photovoltaïque]]s. Celles-ci sont alors montées en panneaux solaires pour la génération d'électricité.
=== Composants mécaniques ===
Le silicium présente à l'état pur des caractéristiques mécaniques élevées qui le font utiliser pour la réalisation de petites pièces destinées à certains micromécanismes et même à la fabrication de [[b:ressort|ressorts]] spiraux destinés à des montres mécaniques haut de gamme.
=== Micro et nanostructure ===
Du fait de la performance des procédés de gravure et de formation de forme avec le silicum, le silicum est utilisé pour :
* la formation de silicum nanoporeux pour dissocier l'hydrogène de l'oxygène de molécule d'eau dans les [[Pile à combustible|piles à combustibles]],
* la formation de nanopics sur une surface de silicum par Gravure Ionique Réactive (RIE) en vue de relier des puces de semi-conducteur<ref>Article de la Vigie Optoélectronique de [[l'Agence pour la Diffusion de l’Information Technologique]] (Adit), numéro 116, octobre 2006, [http://www.adit.fr/SP/parutions/vigies_visu.php?id=3924]</ref>.
===Composés===
{{Article détaillé|Silice|Verre|Quartz (minéral)|Carbure de silicium}}
Outre les propriétés du silicium élémentaire, de nombreux composés du silicium possèdent des applications. Parmi les plus connus :
* La '''silice''' se trouve dans la nature sous forme compacte (galets, quartz filonien par exemple), ou sous forme de [[sable]] plus ou moins fin. On l'obtient aussi industriellement, sous forme pulvérulente. Elle a de nombreux usages :
** le '''verre''' est fabriqué depuis des millénaires en faisant fondre du [[sable]] principalement composé de SiO<sub>2</sub> avec du [[carbonate de calcium]] CaCO<sub>3</sub> et du [[carbonate de sodium]] Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>. Le verre peut être amélioré par différents additifs.
** le sable de silice est un des composants des [[céramique]]s.
** le '''quartz''' forme de superbes cristaux, est utilisé comme matériau transparent, plus résistant à la chaleur que le verre (ampoule de [[lampe halogène|lampes halogènes]]). Il est également beaucoup plus difficile à fondre et à travailler.
** la silice intervient aux côtés du carbone dans la fabrication des [[Pneumatique (véhicule)|pneumatiques]] économes en énergie.
** la silice très fine est utilisée comme constituant d'adjuvants pour les [[béton]]s à haute performance.
* Le ferro-silicium, le silico-calcium, sont utilisés comme éléments d'addition dans l'élaboration de l'[[acier]] ou de la [[Fonte (métallurgie)|fonte]].
* Le '''carbure de silicium''' possède une structure cristalline analogue à celle du [[diamant]] ; sa dureté en est très proche. Il est utilisé comme [[abrasif]] ou sous forme [[céramique]] dans les outils d'usinage.
* Le silicate de calcium CaSiO<sub>3</sub> est un des composants des [[ciment]]s.
:Il faut signaler, pour éviter une fréquente erreur de traduction depuis l'anglais, que l'anglais ''silicon'' signifie silicium, tandis que ''silicone'' correspond bien au silicone. De son côté, "silica" désigne la silice.
==Dans la nature==
===Minéraux===
{{Article détaillé|Silicates}}
Le silicium sur terre se trouve essentiellement sous forme minérale, et en particulier sous forme de [[silicates]], qui constituent 97 % de la [[croûte terrestre]]. Le silicium est par exemple constitutif du sable de silice, résultat de la dégradation de roches comme le [[granit]].
===Molécules organiques===
Le silicium se trouve dans certaines molécules organiques, comme les [[silane]]s — méthylsilanetriols, diméthylsilanediol —, les silatranes.
===Biologie du silicium<ref>Birchall, J. D. (1990) The role of silicon in biology. Chemistry in Britain: 141-144</ref>===
Les [[Bacillariophyta|diatomées]], présentes dans le [[plancton]], participent au cycle géochimique du silicium dans les mers, car elles extraient la silice pour former leurs membranes externes.
L'organisme humain contient entre 200 mg et 7 g de silicium, suivant les sources.
Le silicium se retrouve dans tous les [[glycosaminoglycane]]s et polyuronides : chondroïtine sulfate, dermatan-sulfate, kératan-sulfate, héparan-sulfate et héparine. L’[[acide hyaluronique]] est la macromolécule la plus riche en silicium. Le silicium est aussi impliqué dans la synthèse du [[collagène]] (3 à 6 atomes de Si par chaîne alpha) et de l'[[élastine]].
Le silicium est un constituant important de la paroi artérielle. L'[[aorte]] se trouve être le tissu qui en contient le plus avec la [[peau]] et le [[Thymus (anatomie)|thymus]]. Le taux de silicium dans ces tissus diminue avec l'âge dans des proportions très importantes (perte supérieure à 60-70 %).
Le silicium potentialiserait l'action du Zinc (Zn) et du Cuivre (Cu) et permettrait la fixation du Calcium (Ca). Les céréales et l'eau de boisson (dont la bière fabriquée à partir d'eau et de céréales) apportent naturellement la quantité suffisante (25 mg par jour) pour satisfaire les besoins (environ 5 mg/jour). L'[[Afssa]] (Agence Française de Sécurité Sanitaire des Aliments) n'a pas défini d'apports nutritionnels conseillés pour le silicium car ils sont largement couverts par l'alimentation.
Par abus, certains parlent de « silice organique ». Il semble que cette dénomination soit plutôt un procédé commercial dans le domaine des [[médecine parallèle|médecines parallèles]].
=== L'hypothétique biochimie à base de silicium ===
À la limite de la science et de la science-fiction, de multiples travaux{{Référence nécessaire}} visent à mettre en évidence la possibilité d'une tout autre forme de vie, basée non pas sur le carbone, mais sur le silicium. Ceci se fonde sur le fait que le silicium est non seulement [[tétravalence|tétravalent]] comme le carbone, mais qu'il est susceptible de former des complexes penta- et hexa-coordinés chargés et stables. Ils pourraient avoir des propriétés catalytiques intéressantes qui ont été peu explorées dans les hypothèses exobiologiques. Il faut cependant noter que le silicium n'a qu'une faible capacité à former des [[liaison covalente|liaisons multiples]], puisque l'énergie de dissociation des [[liaison π|liaisons π]] est beaucoup plus faible que celle des liaisons π impliquant le carbone <ref>F. A. Cotton, G. Wilkinson, P. L. Gaus, Basic Inorganic Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 1987, ISBN 0-471-85151-5</ref>.
La position médiane actuelle semble être négative, le silicium ne participant que peu à des réactions biologiques mais servant plutôt de support (enveloppes, squelettes, gels, ...).
== Production industrielle du silicium ==
Le silicium n'existe pas naturellement à l'état libre sur la terre, mais il est très abondant sous forme d'oxydes, par exemple la [[silice]] ou les [[silicate]]s. Le silicium est extrait de son oxyde par des procédés métallurgiques, et son niveau de pureté dépend de son utilisation finale.
=== Pureté du silicium ===
[[Image:Barreau Si solaire.JPG|100px|right|thumb|Barreau de silicium de qualité solaire]]
On distingue trois niveaux de pureté du silicium, désignés en fonction de l'utilisation :
* Silicium métallurgique (pureté 99%), noté MG-silicium (en anglais : metallurgical grade),
* Silicium de qualité solaire (pureté 99.9999%), noté SoG-silicium (solar grade),
* Silicium de qualité électronique (pureté 99.99999999%), noté EG-silicium (electronic grade).
=== Production du silicium métallurgique ===
Pour obtenir du silicium libre (parfois appelé improprement "silicium métal" pour le distinguer du [[ferrosilicium]]), il faut le réduire ; industriellement, cette [[Réaction d'oxydo-réduction|réduction]] s'effectue par [[électrométallurgie]], dans un [[four à arc électrique]] ouvert dont la puissance peut aller jusqu'à environ 30 M[[Watt|W]].
La réaction globale de principe est une réaction de [[carboréduction]] :
:::SiO<sub>2</sub> + C → Si + CO<sub>2</sub>
La réalité est plus complexe, avec des réactions intermédiaires conduisant par exemple à la formation de [[Carbure de silicium|SiC]], de SiO (instable).
En pratique, le silicium est introduit sous forme de morceaux de silice (galets, ou morceaux de [[Quartz (minéral)|quartz]] filonien), en mélange avec des [[réducteur]]s tels que le bois, le [[charbon de bois]], la [[houille]], le [[Coke (charbon)|coke]] de pétrole. Compte tenu des exigences de pureté des applications finales, la silice doit être relativement pure (faible teneur en [[Rouille (oxyde)|oxyde de fer]] en particulier), et les réducteurs soigneusement choisis (houille lavée par exemple).
Le mélange est déversé dans un [[creuset]] de plusieurs mètres de diamètre, où plongent des [[électrode]]s cylindriques en [[carbone]] (trois le plus souvent) qui apportent la puissance électrique et permettent d'atteindre les très hautes températures dont les réactions recherchées ont besoin (autour de 3000°C dans la région de l'[[arc électrique]], à la pointe des électrodes).
Le silicium obtenu est recueilli dans des "poches", à l'[[état liquide]], grâce à des orifices pratiqués dans le creuset.
Il est ensuite affiné dans ces poches, par injection d'air pour oxyder l'[[aluminium]] et le [[calcium]].
Puis il est séparé du "[[laitier]]" ([[oxyde]]s produits au cours des différentes étapes du procédé et entraînés avec le silicium) avant d'être solidifié :
* soit par coulée en [[lingotière]]s ou sur une surface plane,
* soit par granulation à l'eau (le silicium liquide est alors versé dans de l'eau et les gouttes de silicium se solidifient en petits granules : opération relativement délicate).
Les réactions intermédiaires conduisant à la réduction du silicium produisent aussi une très fine poussière de [[silice]] [[amorphe]], qui est entraînée par les gaz chauds (essentiellement air et [[dioxyde de carbone]]) émis par le four ; dans les installations modernes, ces gaz sont filtrés pour recueillir la poussière de [[silice]] amorphe, qui est utilisée comme élément d'addition dans les [[béton]]s à haute performance.
Selon les applications, le silicium est utilisé sous forme de morceaux (production des alliages aluminium-silicium) ou sous forme de poudre obtenue par broyage (production des silicones).
Le silicium pour électronique est obtenu à partir du silicium électrométallurgique, mais nécessite une étape chimique (purification réalisée sur des silanes) puis un ensemble de purifications physiques, avant le tirage des monocristaux.
=== Préparation du silicium dans son utilisation pour l'industrie électronique ===
; Préparation du Si pur
L'opération s'effectue à partir du [[trichlorosilane]] (SiHCI<sub>3</sub>), ou du [[tétrachlorure de silicium]] (SiCl<sub>4</sub>), ou du [[tétraiodure de silicium]] (SiI<sub>4</sub>), etc. Par exemple, en attaquant du siliciure de [[cuivre]] à 300°C par de l'[[acide chlorhydrique]] il se forme du trichlorosilane ; ce corps est purifié par une [[distillation]] très poussée ; il est ensuite décomposé à 950°C en présence d'[[hydrogène]] ; on obtient des blocs compacts de silicium très pur (procédé [[Pechiney]]).
; Préparation du [[monocristal]]
[[Image:Polycrystalline silicon rod.jpg|150px|thumb|Barreau 302 grammes (10,3 cm de long x 4 cm de diamètre) de silicium polycristallin destiné à la production de silicium monocristallin par le procédé ''Czochralski'']]
[[Image:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|150px|thumb|Monocristal de silicium]]
On désire obtenir des monocristaux de type N ; or le silicium obtenu chimiquement contient toujours quelques traces de [[bore]] et il est de type P ; on le cristallise donc et on le transforme en [[semi-conducteur]] de type N.
<u>Principe</u> :<br />
On place dans un creuset en [[Quartz (minéral)|quartz]] une quantité de silicium correspondant sensiblement au poids du monocristal à obtenir ; on ajoute le dopeur donneur d'électrons ; aucune impureté ne doit perturber la [[cristallisation]] ; l'opération doit donc se dérouler dans une enceinte hermétiquement close, d'une propreté "chirurgicale", et dans une atmosphère neutre, ou sous vide.
<u>Réalisation</u> :<br />
Autour de l'enceinte isolante en quartz est placé l'inducteur d'un générateur haute fréquence qui permet de porter le mélange Si-dopeur à la température de [[Fusion (physique)|fusion]], soit 1 500°C environ. Lorsque la fusion est totale, l'opération de [[Cristallogénèse|cristallisation]] peut commencer ; à cet effet, un système mécanique de précision présente le germe monocristal au contact du bain, puis le soulève verticalement, très lentement, tout en lui imprimant une très lente rotation qui aide à l'homogénéisation. Le germe entraîne le silicium qui se trouve alors soustrait à l'action de l'induction HF ; le Si se refroidit donc et cristallise suivant l'ordonnancement fixé par le germe.
L'opération est très délicate ; la vitesse de levage doit être constante afin de ne pas perturber la formation du cristal ; la température du bain doit être également constante, à 0,1°C près (et ceci vers 1 500°C). L'homogénéisation, aidée par les deux mouvements de levage et de rotation, est primordiale ; en effet, à mesure que l'opération progresse, le bain voit sa concentration en impuretés augmenter parce que ces derniéres présentent plus d'affinité pour la phase liquide que pour la phase solide.
Le monocristal obtenu se présente sous la forme d'un cylindre à peu près régulier, de 25 à 50 mm de diamètre ; on le sectionne à ses deux extrémités : la tête, qui est très pure, servira de germe pour une opération ultérieure ; le bas, qui risque de ne pas être assez pur, est rejeté.
; Préparation des rondelles
<u>Conditions à remplir</u> :<br />
Du fait du prix très élevé du silicium monocristallin, il faut éviter la perte de matière pendant la préparation des rondelles. Celles-ci sont très fragiles ; il faut donc éviter toute contrainte pouvant les déformer ou les briser. Par ailleurs, l'état de surface des rondelles doit être aussi parfait que possible. Enfin le traitement ne doit pas ''« polluer »'' le monocristal.
<u>Le tronçonnage</u> :<br />
Le silicium est découpé en rondelles de 0,2 à 0,3 mm d'épaisseur au moyen d'une scie circulaire de grande précision. Le travail s'effectue dans l'eau afin d'éviter tout échauffement et toute pollution. Les déchets étant importants, les boues sont filtrées et la poudre de silicium est récupérée et utilisée à nouveau.
<u>Rodage des faces</u> :<br />
Il a pour but d'éliminer les irrégularités de surface provoquées par les grains de poudre de diamant lors du tronçonnage ; il s'effectue avec de la poudre de [[carborundum]]. Après le rodage mécanique, un rodage chimique vient supprimer les dernières irrégularités et la couche superficielle qui peut avoir été polluée. À cet effet, on utilise des bains d'[[acide]]s forts (acides [[Acide fluorhydrique|fluorhydrique]] et [[Acide nitrique|nitrique]]) ; puis les rondelles sont rincées soigneusement et séchées. Cette attaque chimique peut être remplacée ou complétée par un polissage [[Électrolyse|électrolytique]].
; Découpage des pastilles
On découpe les rondelles en un très grand nombre de pastilles, avec précision, la largeur du trait de découpe étant aussi faible que possible (0,125 à 0,15 mm). Les bavures de découpage sont ensuite éliminées par attaque chimique suivie d'un rinçage.
== Voir aussi ==
{{Wiktionnaire|silicium|silicium}}
* [[Silicium poreux]]
=== Liens externes ===
* [http://sili.cium.free.fr/biblio.htm Bibliographie (très partielle) sur la biologie du silicium]
* {{en}} [http://www.jointsolarpanel.nl/bultmanzc05.pdf Solar Grade Silicon: Show stopper or infinite source], Jan Bultman and Bart Geerligs, Energy Research Center of the Netherlands, 2005.
== Notes et références ==
{{références}}
{{ElementsChimiques}}
{{Portail|Physique|Chimie}}
{{Lien AdQ|sk}}
[[Catégorie:Élément chimique]]
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[[Catégorie:Composé du silicium|*]]
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