Le silicium est vraiment omniprésent, mais n’est presque jamais trouvé comme élément libre dans la nature. Au lieu de cela, il se produit principalement sous forme de dioxyde de silicium, plus communément appelé sable ou quartz, ou dans des minéraux silicatés, généralement sous forme d’argile ou de roche. Il a d’abord été proposé que le sable de silice était probablement l’oxyde d’un élément auparavant inconnu par Antoine Lavoisier en 1787. En 1808, Sir Humphry Davy a nommé cet élément hypothétique « silicium », combinant le latin silex, qui signifie pierre, avec la terminaison traditionnelle-ium souvent donnée aux éléments métalliques. Le nom a été changé en silicium en 1817, car la fin-on suggérait sa relation plus étroite avec les éléments non métalliques bore et carbone, mais ce n’est qu’en 1823 que le chimiste suédois Jons Jacob Berzelius a finalement réussi à préparer du silicium amorphe pur et, en tant que premier à le faire, il a été crédité d’avoir « découvert » l’élément.

La grande majorité du silicium utilisé commercialement n’est jamais séparée des matériaux dans lesquels il se trouve naturellement, qui sont souvent traités de manière assez minimale avant utilisation. Les argiles silicatées sont utilisées pour produire des céramiques blanches telles que la porcelaine et dans la fabrication de briques céramiques et de ciment utilisés comme matériaux de construction. La roche contenant du silicate comme le granit est utilisée directement dans des applications structurelles et décoratives, et le sable de silice mélangé au gravier et au ciment produit du béton. Le sable est également largement utilisé comme abrasif et comme charge dans les plastiques, le caoutchouc et les peintures. De plus, la terre de diatomées, une forme de roche siliceuse constituée de restes fossilisés de diatomées, a de nombreuses applications commerciales directes, en particulier en tant qu’absorbant, milieu de filtration, abrasif doux et pesticide naturel.

Les produits de silicium plus raffinés représentent une part beaucoup plus faible de l’utilisation commerciale du silicium, mais ils sont néanmoins extrêmement importants sur le plan économique. Le sable de silice commun est le point de départ de la production d’une variété de produits de silice raffinés, d’autres composés de silicium, d’alliages contenant du silicium et de silicium élémentaire à différents niveaux de pureté, qui jouent tous des rôles importants dans l’industrie. Les paragraphes suivants donnent un aperçu des principales catégories d’utilisations finales du silicium, mais ne constituent pas une liste exhaustive.

Silicium dans les alliages

Le silicium est couramment utilisé comme élément d’alliage. Le sable de silice est réduit avec du carbone en présence de fer pour produire du ferrosilicium, qui peut ensuite être utilisé dans les aciers contenant du silicium. Dans le fer fondu, le silicium aide à maintenir la teneur en carbone dans les limites étroites requises pour une nuance d’acier donnée. Utilisé en plus grandes quantités, comme dans l’acier électrique, le silicium influence favorablement la résistivité et les propriétés ferromagnétiques du matériau.

Pour une utilisation dans les alliages non ferreux, le silicium de qualité métallurgique est produit en faisant réagir de la silice de haute pureté avec du carbone dans un four à arc électrique. Les alliages de silicium non ferreux les plus courants sont les alliages aluminium-silicium. Les proportions appropriées d’aluminium et de silicium produisent un matériau qui présente très peu de contraction thermique lors de la solidification, ce qui le rend idéal pour les applications de coulée. Le silicium de qualité métallurgique est également utilisé comme agent d’alliage mineur dans un certain nombre d’autres alliages conçus pour des applications spécialisées.

Céramiques à haute résistance

D’abord produit de manière synthétique au XIXe siècle, le nitrure de silicium est connu de la science depuis à peu près aussi longtemps que le carbure de silicium, mais il a néanmoins emprunté un chemin beaucoup plus lent vers une exploitation commerciale. Le potentiel du nitrure de silicium en tant que matériau réfractaire a été reconnu pour la première fois dans les années 1950 et, en fait, le matériau a été utilisé comme liant dans les céramiques au carbure de silicium, une utilisation qui se poursuit dans une certaine mesure aujourd’hui. Cependant, les céramiques en nitrure de silicium pur se sont révélées extrêmement difficiles à fabriquer, et les premières méthodes de production ont abouti à des matériaux aux propriétés mécaniques peu idéales ou peu fiables, ou ont utilisé des méthodes de production qui limitaient sévèrement les types de pièces pouvant être produites. Aujourd’hui, des composants céramiques en nitrure de silicium fritté peuvent être produits avec d’excellentes propriétés mécaniques, mais cela nécessite une nanopoudre de nitrure de silicium extrêmement pure et des conditions de fabrication contrôlées avec précision, qui contribuent toutes deux au coût élevé de ce matériau. Ces matériaux ont une excellente résistance aux chocs et sont devenus utilisés dans les petits composants du moteur. De plus, le nitrure de silicium peut être utilisé pour produire des roulements à billes qui peuvent tolérer des environnements corrosifs, des températures de fonctionnement élevées et une faible lubrification tout en étant plus performants et en pesant moins que les solutions de rechange.

Les sialons, céramiques produites avec de l’oxyde d’aluminium, du nitrure de silicium et parfois des oxydes de terres rares, ont d’abord été développés en réponse aux difficultés de production de céramiques frittées au nitrure de silicium. De nombreuses variations sur les sialons existent, car des variations dans les compositions de départ ainsi que dans les techniques de production peuvent produire des matériaux aux propriétés très différentes, qui résultent de différences de structure cristalline. Certaines de ces variations conservent bon nombre des propriétés souhaitables du nitrure de silicium tout en offrant l’avantage supplémentaire de processus de production plus faciles. D’autres variantes sont formulées pour fournir des propriétés supplémentaires, telles que la conductivité électrique ou la résistance aux dommages dans des environnements chimiques spécifiques. Actuellement, les sialons sont principalement utilisés dans les outils de coupe et les composants de machines industrielles soumis à des conditions extrêmes.

Les propriétés semi-conductrices du carbure de silicium sont connues depuis le début du XXe siècle, lorsque le matériau a été utilisé dans les détecteurs radio et les premières LED. Cependant, ces utilisations et plusieurs autres ont été développées au tout début des dispositifs à semi-conducteurs, et des matériaux alternatifs aux propriétés plus adaptées à ces applications ont depuis été développés, déplaçant largement le carbure de silicium de ses fonctions historiques. La recherche sur le développement du carbure de silicium en tant que semi-conducteur s’est depuis explicitement concentrée sur l’exploitation de ses forces, notamment sa capacité à fonctionner à des températures élevées et dans des champs électriques puissants. Ces propriétés permettent théoriquement la production de dispositifs électroniques beaucoup plus petits, plus rapides, plus économes en énergie et plus tolérants à la chaleur que ce qui est possible avec les technologies traditionnelles à base de silicium. Initialement, des difficultés à produire des cristaux de carbure de silicium sans défauts ont entravé le développement d’une électronique sophistiquée en carbure de silicium, mais des diodes et des transistors fonctionnels en carbure de silicium sont maintenant disponibles dans le commerce, et le développement de ces technologies est en cours.

Le nitrure de silicium amorphe, qui peut être produit en couches minces par dépôt chimique en phase vapeur, est un matériau important dans la fabrication de circuits intégrés, où il est utilisé aussi structurellement comme isolant électrique ou couche de passivation protectrice, ou comme masque de gravure dans le processus d’usinage. De plus, des nitrures de silicium dopés sont à l’étude pour une utilisation comme semi-conducteur dans des dispositifs tels que les LED, et le nitrure de silicium et le sialon peuvent être dopés pour produire des luminophores.

Verres de silice

Dans l’usage courant, le verre se réfère au verre sodocalcique, un verre à base de silice produit par fusion de sable de quartz avec du carbonate de sodium, de la chaux, de la dolmite et de l’oxyde d’aluminium. C’est le verre couramment utilisé dans les vitres et les contenants de boissons. La plupart des autres produits communément appelés verre sont également à base de silice, mais ont des compositions différentes destinées à produire des propriétés favorables à des utilisations spécifiques. Par exemple, les verres au borosilicate, souvent vendus sous le nom de Pyrex, contiennent de l’oxyde de bore, se distinguent par leur capacité supérieure à résister aux chocs thermiques et sont utilisés pour la verrerie de laboratoire, les ustensiles de cuisine ménagers et les composants optiques. Le verre aluminosilicaté, une autre variété courante, est utilisé dans le matériau composite en fibre de verre et dans le verre incassable utilisé pour les pare-brise des véhicules à grande vitesse et, de plus en plus, les surfaces vitrées exposées sur les appareils électroniques portables tels que les téléphones portables.

Alternativement, le verre peut être produit à partir de dioxyde de silicium pur sans ajout d’autres composés. Le matériau résultant est connu sous le nom de quartz fondu et, comparé au verre sodocalcique, il est plus résistant, possède de meilleures propriétés optiques et résiste mieux aux chocs thermiques. Il fond également à une température beaucoup plus élevée. Cette propriété, bien que souvent souhaitable, le rend considérablement plus coûteux à produire que les autres types de verre. Il est donc principalement utilisé pour des applications nécessitant ces propriétés améliorées, notamment la production de composants optiques de précision tels que des lentilles et des fibres optiques de haute qualité, des masques de photolithographie et des matériaux réfractaires destinés à être utilisés dans des procédés industriels et de laboratoire à haute température.

Quartz synthétique

Le quartz est un matériau piézoélectrique naturel qui trouve son utilisation dans les oscillateurs à cristal utilisés pour marquer l’heure dans les horloges et les appareils numériques, et pour normaliser la fréquence dans les appareils à radiofréquences. Le quartz pour cette utilisation est généralement produit synthétiquement à partir de sable de silice, car cela permet une ingénierie de précision des propriétés des cristaux.

Silicones

Les silicones sont des polymères organiques-inorganiques mixtes constitués généralement d’un squelette silicium-oxygène relié à des groupes latéraux hydrocarbonés. La variation des groupes hydrocarbonés présents, des longueurs de chaîne silicium-oxygène et du degré de réticulation peut produire une large gamme de matériaux, des lubrifiants à l’huile de silicone aux résines de silicone dures, mais tous ont tendance à présenter une faible conductivité thermique, une réactivité chimique et une toxicité. Le large éventail de consistances possibles et la facilité de fabrication, ainsi que leur structure polymère, incitent à la comparaison avec les plastiques à base d’hydrocarbures, et dans les appareils ménagers, les matériaux sont parfois utilisés de manière interchangeable. Cependant, la faible toxicité et la stabilité à la chaleur élevée des produits en silicone permettent une plus large gamme d’utilisations dans les ustensiles de cuisine et les dispositifs médicaux. Les silicones sont également utilisés pour l’isolation électrique et thermique, l’adhésif, le mastic, les lubrifiants industriels, les solvants de nettoyage à sec et les produits de soins personnels.

Silicium de très haute pureté dans l’électronique et le photovoltaïque

Malgré le fait que le silicium de plaquette utilisé dans les dispositifs à semi-conducteurs ne représente qu’une infime fraction de l’utilisation commerciale de l’élément, cette application unique est celle qui est la plus intimement liée aux conceptions publiques du silicium, car son influence sur la vie moderne a été profonde. Bien que ni les premiers circuits intégrés (germanium) ni les premières cellules solaires (sélénium) ne contenaient de silicium, pendant la majeure partie de l’histoire des deux industries, le silicium de haute pureté a été le matériau semi-conducteur incontestablement dominant.

Pour les applications de circuits intégrés, même de minuscules défauts cristallins interfèrent avec de minuscules chemins de circuit, nécessitant l’utilisation de silicium monocristallin. Ce matériau est produit à l’aide du processus de croissance des cristaux de Czochralski, qui nécessite une croissance lente d’un seul cristal énorme à partir de silicium fondu de haute pureté dans un environnement soigneusement contrôlé. Les circuits intégrés sont construits à l’aide de tranches minces découpées dans ces cristaux, tout comme les cellules photovoltaïques au silicium à rendement le plus élevé. D’autres dispositifs à semi-conducteurs ne nécessitent généralement pas de silicium monocristallin, mais nécessitent tout de même une grande pureté pour contrôler les propriétés électriques du matériau. Le silicium amorphe ou polycristallin de haute pureté se trouve dans la plupart des cellules photovoltaïques au silicium et dans certains autres dispositifs semi-conducteurs à grande surface.

Produits de silice synthétique

Il existe de nombreuses formes d’oxyde de silicium synthétique, y compris la silice précipitée, la silice colloïdale, le gel de silice, la silice fumée et les fumées de silice. Bien que chaque produit soit principalement du dioxyde de silicium, chacun est produit à la suite d’un processus industriel différent, et leur taille de particule varie. Généralement, ces produits sont utilisés comme agents abrasifs doux, anti-agglomérants ou épaississants dans les aliments, les absorbants ou comme matériau de remplissage dans les plastiques, les caoutchoucs, les silicones ou le ciment, bien que les utilisations finales précises varient selon la forme.

Le gel de silice est la forme de silice synthétique la plus familière aux consommateurs. Ces billes de silice microporeuses se trouvent généralement dans de petits paquets de papier inclus dans l’emballage de divers produits pour absorber l’excès d’humidité. Les mêmes propriétés d’absorption sont exploitées pour une utilisation dans la litière pour chat. Le gel de silice est également utilisé dans les laboratoires de chimie comme phase stationnaire pour la chromatographie ou, lorsqu’il est modifié avec des groupes fonctionnels liés de manière covalente, comme agent réducteur ou chélatant.