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Le silicium est l’élément à remercier pour l’ordinateur que vous utilisez pour lire ces mots. Composant crucial de la microélectronique et des puces informatiques, cet élément extrêmement courant est également responsable des plages blanches et chaudes – la silice, un oxyde de silicium, est le composant le plus courant du sable.

Le silicium est le septième élément le plus abondant dans l’univers et le deuxième élément le plus abondant sur la planète, après l’oxygène, selon la Royal Society of Chemistry. Environ 25 % de la croûte terrestre est constituée de silicium. Outre les puces informatiques, le silicium a de nombreuses utilisations ; les endroits plus étranges où cet élément apparaît comprennent les coupes menstruelles, les implants mammaires et les gants de cuisine – sous forme de silicone.

Qu’est-ce qui rend le silicium si spécial qu’une vallée entière en Californie porte son nom ? Lisez la suite.

Les faits

• Numéro atomique (nombre de protons dans le noyau) : 14
• Symbole atomique (sur le tableau périodique des éléments) : Si
• Poids atomique (masse moyenne de l’atome) : 28,09
• Densité : 2,3296 grammes par centimètre cube
• Phase à température ambiante : Solide
• Point de fusion : 2 577 degrés Fahrenheit (1 414 degrés Celsius)
• Point d’ébullition : 5 909 degrés F (3 265 degrés C)
• Nombre d’isotopes (atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons) : 24
• Isotope le plus courant : Si-28 (92 % d’abondance naturelle)

Silicium le semi-conducteur

Dans la nature, le silicium n’est pas un solitaire. On le trouve généralement lié à une paire de molécules d’oxygène sous forme de dioxyde de silicium, autrement appelé silice. Le quartz, un ingrédient abondant dans le sable, est constitué de silice non cristallisée.

Le silicium n’est ni un métal ni un non-métal ; c’est un métalloïde, un élément qui se situe quelque part entre les deux. La catégorie des métalloïdes est une zone grise, sans définition précise de ce qui correspond à cette catégorie, mais les métalloïdes ont généralement les propriétés des métaux et des non-métaux. Ils ont l’air métallique, mais ne conduisent l’électricité que de manière intermédiaire. Le silicium est un semi-conducteur, ce qui signifie qu’il conduit l’électricité. Cependant, contrairement à un métal typique, le silicium devient meilleur pour conduire l’électricité à mesure que la température augmente (les métaux deviennent moins bons pour la conductivité à des températures plus élevées).

Le silicium a été isolé pour la première fois en 1824 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius, qui a également découvert le cérium, le sélénium et le thorium, selon la Chemical Heritage Foundation. Berzelius a chauffé de la silice avec du potassium pour purifier le silicium, selon le Thomas Jefferson National Accelerator Facility, mais aujourd’hui le processus de raffinement chauffe du carbone avec de la silice sous forme de sable pour isoler l’élément.

Le silicium est un ingrédient principal dans les créations de très basse technologie, y compris les briques et les céramiques. Mais c’est dans le domaine de la haute technologie que l’élément fait vraiment sa marque. En tant que semi-conducteur, le silicium est utilisé pour fabriquer des transistors, qui amplifient ou commutent les courants électriques et constituent l’épine dorsale de l’électronique, des radios aux iPhones.

Le silicium est utilisé de diverses manières dans les cellules solaires et les puces d’ordinateur, avec un exemple étant le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur, ou MOSFET, l’interrupteur de base de nombreux appareils électroniques. Pour transformer le silicium en transistor, la forme cristalline de l’élément est altérée par des traces d’autres éléments, comme le bore ou le phosphore, selon le Lawrence Livermore National Laboratory. Les oligo-éléments se lient aux atomes de silicium, libérant les électrons pour qu’ils se déplacent dans tout le matériau, selon l’Université de Virginie.

En créant des espaces de silicium non frelaté, les ingénieurs peuvent créer un espace où ces électrons ne peuvent pas circuler – comme un interrupteur en position « off ».

Pour mettre l’interrupteur en position « on », une plaque métallique, connectée à une source d’énergie, est placée près du cristal. Lorsque l’électricité circule, la plaque se charge positivement. Les électrons, qui sont chargés négativement, sont attirés par la charge positive, ce qui leur permet de faire le saut à travers le segment de silicium pur. (D’autres semi-conducteurs que le silicium peuvent également être utilisés dans les transistors.)

Qui l’aurait su ?

• Lorsque les astronautes d’Apollo 11 se sont posés sur la lune en 1969, ils ont laissé derrière eux une pochette blanche contenant un disque de silicium légèrement plus grand qu’un dollar d’argent. Inscrits en caractères microscopiques sur le disque, 73 messages, provenant chacun d’un pays différent, expriment des vœux de bonne volonté et de paix.
• Le silicium n’est pas la même chose que la silicone, ce fameux polymère que l’on retrouve dans les implants mammaires, les coupes menstruelles et autres technologies médicales. Le silicone est composé de silicium ainsi que d’oxygène, de carbone et d’hydrogène. Parce qu’il résiste si bien à la chaleur, le silicone a été de plus en plus utilisé pour fabriquer des outils de cuisine, comme les gants de cuisine et les plaques de cuisson.
• Le silicone peut être dangereux. Lorsqu’il est inhalé pendant de longues périodes, il peut provoquer une maladie pulmonaire connue sous le nom de silicose.
• Vous aimez l’irisation d’une opale ? Remerciez le silicium. La pierre précieuse est une forme de silice liée à des molécules d’eau.
• Le carbure de silicium (SiC) est presque aussi dur qu’un diamant, selon l’Institute of Materials, Minerals, and Mining. Il se classe entre 9 et 9,5 sur l’échelle de dureté de Mohs, soit légèrement moins que le diamant, dont la dureté est de 10.
• Les plantes utilisent le silicium pour renforcer leurs parois cellulaires. Cet élément semble être un nutriment important qui contribue à conférer une résistance aux maladies, selon un article publié en 1994 dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.
• La Silicon Valley tire son nom du silicium utilisé dans les puces informatiques. Le surnom est apparu pour la première fois en 1971 dans le journal « Electronic News ».
• La vie à base de silicium, comme le Horta de « Star Trek », pourrait ne pas être entièrement de la science-fiction, selon des chercheurs de Caltech. Les premières recherches ont montré que le silicium peut être incorporé dans des molécules à base de carbone telles que les protéines.

Recherche actuelle

La recherche actuelle sur le silicium ne ressemble pas à de la science-fiction : en 2006, des chercheurs ont annoncé qu’ils avaient créé une puce informatique qui associait des composants en silicium à des cellules cérébrales. Les signaux électriques des cellules du cerveau pouvaient être transmis aux composants électroniques en silicium de la puce, et vice versa. L’espoir est de créer à terme des dispositifs électroniques pour traiter les troubles neurologiques.

Une étude de 2018 parue dans Nature teste un nouveau type de dispositif quantique fabriqué à partir de silicium. Les ordinateurs quantiques pourraient un jour devenir la norme, surpassant la technologie informatique actuelle grâce à leur capacité à effectuer des calculs en parallèle. Créer ces dispositifs en utilisant les mêmes techniques pour construire les puces traditionnelles en silicium pourrait accélérer le développement de ces dispositifs, ce qui pourrait conduire à de nouvelles utilisations des dispositifs quantiques.

Le silicium est également prometteur dans la création de lasers incroyablement minuscules appelés nano-aiguilles, qui peuvent être utilisés pour transmettre des données plus rapidement et plus efficacement que les câbles optiques traditionnels. Les lasers supraconducteurs évacuent la chaleur beaucoup plus facilement que les lasers en verre, a déclaré John Badding, chimiste des matériaux à l’université de Penn State. Cela signifie qu’ils peuvent se vanter d’être plus puissants que les lasers traditionnels.

Badding et son équipe travaillent également à la création de fibres optiques de nouvelle génération qui intègrent des supraconducteurs au lieu du simple verre, a-t-il déclaré à Live Science.

« Les semi-conducteurs ont toute une variété de propriétés que vous ne pouvez tout simplement pas obtenir avec les verres », a déclaré Badding. Avoir des matériaux semi-conducteurs intégrés dans les fibres optiques permettrait d’inclure de la mini-électronique dans ces câbles, ce qui est crucial pour envoyer des informations sur de longues distances. Les câbles semi-conducteurs permettraient également de manipuler la lumière dans la fibre, a ajouté Badding.

Les puces traditionnelles en silicium sont fabriquées en déposant des couches de l’élément sur une surface plane, en commençant généralement par un gaz précurseur tel que le silane (SiH4) et en laissant le gaz se solidifier, a déclaré Badding. Les câbles, quant à eux, sont étirés. Pour fabriquer un câble de fibre optique en verre, on commence par une tige de verre, on la chauffe puis on l’étire comme de la tire, en l’allongeant pour obtenir un fil long et mince.

Badding et ses collègues ont trouvé un moyen d’obtenir des semi-conducteurs dans cette forme de spaghetti. Ils utilisent des fibres de verre étirées avec de minuscules trous, puis compriment des gaz tels que le silane sous haute pression pour les forcer à entrer dans ces espaces.

« Ce serait comme remplir un tuyau d’arrosage qui va de Penn State à New York complètement solide avec du silicium », a déclaré Badding. « On pourrait penser que les choses se boucheraient et s’embrouilleraient, mais ce n’est pas le cas. »

Les brins de semi-conducteurs obtenus sont trois à quatre fois plus fins qu’un cheveu humain. Badding et son équipe expérimentent également d’autres semi-conducteurs, comme le séléniure de zinc (zinc et sélénium) pour créer des fibres aux capacités jamais vues auparavant.

En savoir plus sur le silicium :

• Pour un regard amusant et intéressant sur l’histoire de la Silicon Valley, y compris des informations sur les esprits et les produits impliqués dans la fabrication des startups de haute technologie, consultez la chronologie interactive de la Silicon Valley de NPR.
• Ils peuvent être proches sur le tableau périodique des éléments, mais le silicium et le carbone sont des bêtes chimiques différentes. Voici un regard de Dow Corning sur leurs différences, qui se résument à ce que l’un soit organique et l’autre inorganique.
• HowStuffWorks a une grande ventilation de la façon dont les semi-conducteurs fonctionnent et comment le silicium est un acteur majeur.
• Vous voulez savoir comment les célèbres puces Intel, faites de silicium bien sûr, sont faites ? L’entreprise technologique décrit l’histoire de ses puces, comment elles ont évolué au fil du temps, comment elles sont fabriquées et comment elles fonctionnent.

Rapports supplémentaires de Rachel Ross, collaboratrice de Live Science.

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