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Accueil > Science pour tous > 2019 - Année internationale du tableau périodique des éléments > Tous les éléments présentés

Silicium

Le silicium est l’élément le plus abondant de la croûte terrestre après l’oxygène puisqu’il se retrouve dans un très grand nombre de roches (quartz, sables, argiles…). Il s’agit d’un élément semi-conducteur, c’est-à-dire un élément dont la conductivité électrique est intermédiaire entre celle d’un métal et celle d’un isolant. Le dioxyde de silicium ou silice (SiO2) est le matériau de base du verre.

Étymologie  : du latin « silex, silicis » (caillou)

Origine  : Le Silicium est créé au sein des étoiles massives, au stade supergéante. Lorsque la température du coeur atteint plus de 1 milliard de degrés, la fusion nucléaire de l’oxygène donne naissance aux éléments Al, Si et S. Mais ce n’est que quand l’étoile explose en supernova que ces éléments sont rejetés dans le milieu interstellaire.

Historique  : La silice est connue depuis l’antiquité, mais le silicium a été isolé pour la première fois en 1823 par Jöns Jacob Berzelius (savant suédois). En 1854, Henri Sainte-Claire Deville (premier doyen de la faculté des sciences de Besançon, de 1845 à 1851) publie dans les Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, l’obtention pour la première fois du silicium cristallisé.

Le silicium dans la vie courante : les composants électroniques

Microprocesseurs sur une tranche de silicium - Crédit photo : Ploum’s sur Wikipédia français

Les semi-conducteurs ont une structure électronique voisine de celle des isolants, à la différence que le gap d’énergie entre leur bande de valence et leur bande de conduction est faible. Le matériau peut alors être rendu conducteur par apport d’énergie (sous forme thermique ou de rayonnement par exemple) ou par dopage. Le silicium se trouvant dans la 14ème colonne du tableau périodique, si on le dope avec des traces d’éléments du groupe 15 (P ou As), la conduction se fait par les électrons. On dit que c’est un semi-conducteur de type n. Par dopage avec des éléments du groupe 13 (Ga ou In), les porteurs de charges majoritaires sont des trous, le semi-conducteur est dit de type p. Ces propriétés sont essentielles pour l’électronique car selon les conditions, le circuit en silicium peut être isolant ou conducteur et par conséquent, joue le rôle de porte logique (oui, non, ou…). Les propriétés semi-conductrices du silicium ont permis la création de la deuxième génération de transistors, puis les circuits intégrés (puces). C’est aujourd’hui encore l’un des éléments essentiels pour l’électronique. Néanmoins, le silicium n’existe pas naturellement sous forme monoatomique mais il est très abondant sous forme d’oxydes. Le procédé Czochralski (zone fondue flottante) permet la production de silicium pur à 99,99999%.

Structure électronique des bandes de valence et de conduction dans le cas d’un métal, d’un semi-conducteur et d’un isolant - Crédit photo : Institut UTINAM

Le silicium à l’Institut UTINAM : La silice pour le traitement des eaux
Le silicium étudié à l’Institut UTINAM est, par exemple, sous forme de minéral, appelé silice (SiO2). Les particules de silice colloïdales sont des particules de silice possédant une grande surface spécifique. Elles peuvent aisément être modifiées en fonctionnalisant leurs surfaces par des molécules organiques. Elles vont pouvoir alors servir d’adsorbants pour éliminer des cations métalliques.
Un travail de thèse sur le traitement des eaux a récemment été soutenu au laboratoire. Il a montré que le couplage de la filtration membranaire et de l’adsorption au moyen de composites (Silices modifiées) permet d’augmenter l’efficacité du traitement de décontamination des solutions polluées par un ou plusieurs cations métalliques, démontrant ainsi l’intérêt d’un tel traitement combiné.

Schéma de traitement d’une eau contaminée en cations métalliques - Crédit photo : Institut UTINAM

Les astrophysiciens de UTINAM étudient l’abondance en silicium dans les atmosphères d’étoiles géantes, par exemple avec le spectrographe APOGEE. Elle nous informe sur l’appartenance de l’étoile au disque mince de la Galaxie (si l’abondance en silicium est comme celle du soleil) ou au disque épais (population plus vieille, si l’abondance est plus élevée).