Silicium

Jöns Jacob Berzelius découvre l'élément silicium en 1823.

En 1787, Antoine Lavoisier soupçonne que la silice pourrait être l'oxyde d'un élément chimique fondamental, mais l'affinité chimique du silicium pour l'oxygène est trop élevée pour qu'il puisse réduire l'oxyde et isoler l'élément[13]. Après une tentative d'isolement du silicium en 1808, Sir Humphry Davy propose le nom anglais de « silicium », du latin « silex », « silicis » pour silex, et en ajoutant la terminaison « -ium » parce qu'il croit qu'il s'agit d'un métal[14]. La plupart des autres langues utilisent dès lors des formes translitérées du nom de Davy, parfois adaptées à la phonologie locale (par exemple, en allemand : Silizium ; en turc : silisyum ; en catalan : silici). Quelques autres utilisent plutôt un calque de la racine latine (par exemple, en russe : кремний, de « кремень », « silex » ; en grec moderne : hπυρίτιο de « πυρ », « feu » ; en finnois : pii de « piikivi », « silex » ; en tchèque : křemík de « křemen », « quartz » ou « silex »)[15].

En 1811, Joseph Louis Gay-Lussac et Louis Jacques Thénard auraient préparé du silicium amorphe impur en chauffant du potassium métallique récemment isolé avec du tétrafluorure de silicium, mais ils n'ont ni purifié et caractérisé le produit, ni identifié comme un nouvel élément[16]. En anglais, le silicium est renommé « silicon » en 1817 par le chimiste écossais Thomas Thomson, qui pense qu'il s'agit d'un non-métal comme le bore (« boron » en anglais) et le carbone (« carbon »)[17]. En 1824, Jöns Jacob Berzelius prépare du silicium amorphe en utilisant une méthode similaire à celle de Gay-Lussac, mais il purifie le produit par des lavages répétés pour obtenir une poudre brune[18]. Il est ainsi généralement considéré comme celui qui a découvert le silicium[19] - [20].

Le silicium sous sa forme cristalline plus courante n'a été préparé que 31 ans plus tard, par Henri Sainte-Claire Deville[21]. En électrolysant un mélange de chlorure de sodium et de chlorure d'aluminium contenant environ 10 % de silicium, il obtient un allotrope légèrement impur de silicium en 1854[22]. Par la suite, des méthodes plus rentables sont mises au point pour isoler plusieurs formes d'allotrope, la plus récente étant le silicène en 2010[23] - [24]. Pendant ce temps, la recherche sur la chimie du silicium se poursuit : Friedrich Wöhler découvre les premiers hydrures volatils de silicium, synthétisant le trichlorosilane en 1857 et le silane lui-même en 1858, mais une étude détaillée des silanes n'est menée qu'au début du XX^e siècle par Alfred Stock, malgré des spéculations sur le sujet remontant aux débuts de la chimie organique synthétique dans les années 1830. De même, le premier composé organosilicié, le tétraéthylsilane, est synthétisé par Charles Friedel et James Mason Crafts en 1863, mais la caractérisation détaillée de la chimie des organosiliciés n'est réalisée qu'au début du XX^e siècle par Frederic Kipping[13].

À partir des années 1920, les travaux de William Lawrence Bragg sur la cristallographie aux rayons X permettent d'élucider les compositions des silicates, qui étaient auparavant connues par la chimie analytique mais n'avaient pas encore été comprises, ainsi que le développement de la cristallochimie par Linus Pauling et celui de la géochimie par Victor Goldschmidt. Le milieu du XX^e siècle voit le développement de la chimie et de l'utilisation industrielle des siloxanes et l'utilisation croissante des polymères, élastomères et résines de silicone. À la fin du XX^e siècle, la complexité de la chimie cristalline des siliciures est cartographiée, ainsi que la physique de l'état solide des semi-conducteurs dopés[13].

Les premiers composants semi-conducteurs n'utilisaient pas de silicium, mais de la galène[25] - [26]. Le premier dispositif semi-conducteur en silicium est un détecteur à cristal radio en silicium, mis au point par l'ingénieur américain Greenleaf Whittier Pickard en 1906[26].

En 1940, Russell Ohl découvre la jonction p-n et les effets photovoltaïques du silicium. En 1941, des techniques de production de cristaux de germanium et de silicium de haute pureté (en) sont mises au point pour les cristaux des détecteurs radar à micro-ondes pendant la Seconde Guerre mondiale[25]. En 1947, le physicien William Shockley théorise un transistor à effet de champ fabriqué à partir de germanium et de silicium, mais il ne réussit pas à construire un dispositif fonctionnel, avant de travailler finalement avec du germanium. Le premier transistor fonctionnel est un transistor à contact ponctuel (en) construit par John Bardeen et Walter Brattain plus tard dans l'année alors qu'ils travaillent sous la direction de Shockley[27]. En 1954, le physico-chimiste Morris Tanenbaum fabrique le premier transistor bipolaire en silicium aux laboratoires Bell[28]. En 1955, Carl Frosch et Lincoln Derick découvrent par hasard aux laboratoires Bell que le dioxyde de silicium (SiO₂) peut être obtenu sur du silicium[29], et ils proposent en 1958 que cela puisse masquer les surfaces de silicium pendant les processus de diffusion (en)[30].

Le MOSFET, également connu sous le nom de transistor MOS, est le composant clé de l'ère du silicium. Il a été inventé par Mohamed M. Atalla et Dawon Kahng (en) aux laboratoires Bell en 1959.

L'« âge du silicium » fait référence à la fin du XX^e siècle et au début du XXI^e siècle[31] - [32] - [33], car le silicium est le matériau dominant de l'ère de l'information, également connue sous le nom d'ère du numérique, de la même manière que l'âge de la pierre, l'âge du bronze et l'âge du fer ont été définis par des matériaux dominants au cours de la Préhistoire[31].

Le silicium étant un élément important des dispositifs semi-conducteurs de haute technologie, de nombreux endroits dans le monde portent son nom. Par exemple, la vallée de Santa Clara en Californie a acquis le surnom de Silicon Valley, car cet élément est le matériau de base de l'industrie des semi-conducteurs dans cette région[34]. Depuis, de nombreux autres endroits ont été surnommés de la même manière, notamment Silicon Wadi en Israël, Silicon Forest en Oregon, Silicon Saxony en Allemagne, Silicon Valley Bangalore en Inde, Silicon Fen à Cambridge en Angleterre, Silicon Alley à New York et Silicon Beach à Los Angeles en Californie[35] - [36] - [37] - [38] - [39].

Maille élémentaire de type diamant du silicium.

Le silicium a une structure de type diamant (comme le germanium et la forme diamant du carbone), avec un paramètre de maille de 0,543 071 0 nm[41].

La synthèse des silicones représente également une utilisation importante du silicium (environ 40 % de la consommation). Ces polymères [(CH₃)₂SiO]_n sont utilisés dans des mastics pour joint, des graisses résistantes à l'eau ou conductrices de la chaleur, les poudres lessivielles ou les shampoings conditionneurs, etc.

Les propriétés de semi-conducteur du silicium ont permis la création de la deuxième génération de transistors, 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 99,999 99 % (tirage Czochralski, zone fondue flottante).

Cellule photovoltaïque en silicium.

En tant que semi-conducteur, le silicium est aussi l'élément principal utilisé pour la fabrication de cellules solaires photovoltaïques. Celles-ci sont alors montées en panneaux solaires pour la génération d'électricité.

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 ressorts spiraux destinés à des montres mécaniques haut de gamme[49].

La principale utilisation du silicium en tant que corps simple est comme élément d'alliage avec l'aluminium. Les alliages aluminium-silicium (AS ou série 40000 suivant NF EN 1780-1, également appelés « sialumins ») sont utilisés pour l'élaboration de 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. L'alliage le plus connu est l'Alpax, proche de la composition eutectique (env. 13 %m de Si).

Du fait de la performance des procédés de gravure et de formation de forme avec le silicium, le silicium est utilisé pour :

• la formation de silicium nanoporeux pour dissocier l'hydrogène de l'oxygène de molécule d'eau dans les piles à combustibles ;
• la formation de nanopics sur une surface de silicium par Gravure Ionique Réactive (RIE) en vue de relier des puces de semi-conducteur[50].

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 (silice synthétique). Elle a de nombreux usages :
  • le verre est fabriqué depuis des millénaires en faisant fondre du sable principalement composé de SiO₂ avec du carbonate de calcium CaCO₃ et du carbonate de sodium Na₂CO₃. Le verre peut être amélioré par différents additifs,
  • le sable de silice est un des composants des céramiques,
  • le quartz forme de superbes cristaux. Il est utilisé comme matériau transparent, plus résistant à la chaleur que le verre (ampoule de lampes halogènes). Il est également beaucoup plus difficile à fondre et à travailler,
  • la silice intervient aux côtés du noir de carbone dans la fabrication des pneumatiques économes en énergie (pneus « verts »),
  • la silice très fine est utilisée comme adjuvant pour les bétons à haute performance ;
• le ferrosilicium et le silico-calcium sont utilisés comme éléments d'addition dans l'élaboration d'aciers ou de fontes ;
• 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 CaSiO₃ est un des composants des ciments.

Le silicium 32 peut être utilisé en datation radiométrique pour déterminer des âges de l'ordre du siècle[51].

• Norman N. Greenwood et Alan Earnshaw, Chemistry of the Elements, Butterworth-Heinemann, 1997 (ISBN 978-0-08-037941-8). 
• (en) Werner Zulehner, Bernd Neuer et Gerhard Rau, « Silicon », dans Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim, Wiley-VCH, 2000 (DOI 10.1002/14356007.a23_721). 

• Silicène et Silicyne
• Silicium amorphe
• Silicium monocristallin
• Silicium polycristallin
• Silicium 42
• Silicium poreux
• Silicium noir
• Biochimies hypothétiques
• Silsesquioxane

• Un site consacré à la biologie du silicium
• (en) « Technical data for Silicon » (consulté le 24 avril 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
• (en) Solar Grade Silicon: Show stopper or infinite source, sur le site jointsolarpanel.nl