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 c'est quoi du gel de silice fleur?

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carole

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MessageSujet: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:11





Le gel de silice est un hydroxyde de silicium Si(OH)4 polymère d'acide silicique préparé à partir de silicate de sodium
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:11




Surface du gel de silice sec et hydraté


Le gel de silice est un hydroxyde de silicium Si(OH)4 polymère d'acide silicique préparé à partir de
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:12

L'intérieur de chaque grain de silice est composé d'atomes de
silicium reliés entre eux par des atomes d'oxygène (un silicate). En
surface, des groupes silanol (Si–OH) subsistent et sont responsables de la très forte polarité du gel de silice. En présence d'eau, cette surface s'hydrate ce qui provoque une diminution de la polarité.

Les grains de gel de silice sont poreux
et la taille des grains et des pores dépend très fortement de la
méthode de préparation utilisée. Cette structure est responsable de la
très grande surface spécifique, typiquement 500-600 m2/g.
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:13




perles de gel de silice


L'intérieur de chaque grain de silice est composé d'atomes de
silicium reliés entre eux par des atomes d'oxygène (un silicate). En
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:13

Le gel de silice est principalement utilisé comme phase stationnaire pour la chromatographie. Il peut également être utilisé comme desséchant, comme réactif ou comme support pour des réactifs.
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:13

e gel de silice est utilisé comme support en chromatographie sur couche mince (CCM), chromatographie sur colonne (chromatographie liquide, flash, MPLC, HPLC...) etc.
Dans le cas de la chromatographie sur couche mince,
le gel de silice est mélangé à un liant, comme du plâtre, auquel on
ajoute souvent un pigment fluorescent qui permet une détection des
composés par exposition à une lumière ultraviolette. Le mélange est
déposé sur un support inerte (plaque de verre, de plastique,
d'aluminium), laissé sécher puis activé à chaud. En chromatographie liquide sur colonne, le gel de silice est utilisé tel quel.

La silice peut être rendue hydrophobe
en greffant des groupes hydrophobes sur les fonctions silanol présentes
à la surface. Par exemple, la silice dite "C18" est un gel de silice
sur lequel on a greffé des groupes octadécyle (18 atomes de carbone).
Dans ce cas, on parle de chromatographie en phase inverse
car les produits les plus polaires sont élués en premier alors que les
produits les plus hydrophobes restent fixés plus longtemps sur la
silice.

Usage industriel et domestique






Litière pour chat à base de gel de silice


C'est un adjuvant : dans une colle protéique, pour en accélérer le collage et la clarification ou dans le vin pour les stabiliser. Il remplace alors les tanins1.

Le gel de silice est aussi utilisé pour constituer de la litière animale, pour déshydrater les plantes, notamment pour les bouquets de fleurs secs et les herbiers, en mini sachets pour la conservation des aliments secs ou des objets qui craignent l'humidité dans leur emballage, etc.


Sous le nom de « silica-gel » il fut utilisé pendant la première
guerre mondiale dans les cartouches filtrantes des masques à gaz. Durant
la deuxième guerre mondiale, il fut indispensable pour la conservation
de la pénicilline et pour les militaires pour protéger les équipements électroniques des moisissures.

Du « gel de silice colloïdale » est commercialisé comme complément alimentaire buvable, dans le but annoncé de renforcer le tissu conjonctif, réguler l'hydratation et contribuer à la formation de collagène chez les personnes ayant une carence nutritionnelle en silicium. Mais une telle carence est en réalité très rare car c'est un oligo-élément largement consommé dans le cadre d'une alimentation normale2.
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:16

La silice est un constituant fondamental de l'écorce terrestre et du manteau, la plupart des roches en contiennent environ 50 %, un peu plus si elles sont acides
un peu moins si elles sont basiques. La silice est aussi ce qui reste
quand tout le reste est parti, en témoignent ces dunes de sable
du Namib. Le sujet est vaste, très vaste et passionnant. Il faut donc
trier et nous ne traiterons pas ici du silicium pur, des différents
oxydes, des carbures qui formeraient un dossier sur le silicium, mais
non plus des argiles, de la céramique, du verre, de l'émail, du vitrail, du cristal, de la cornaline, du grès et du granite
dans la construction ou dans la sculpture et de tant d'autres choses
qui pourraient, à elles seules, faire l'objet d'un document scientifique
complet.
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:17

La silice pure : les oxydes de silicium, le fil, la fibre, la piézo…


On ne considère que SiO2 mais il en
existe d'autres dans des conditions particulières que nous allons
mentionner brièvement en introduction de ce chapitre.


Le monoxyde de silicium SiO n'existe pas à l'état solide,
il est instable quelque soit la température mais on a prouvé son
existence en phase gazeuse et on peut le préparer de différentes
manières par réduction du dioxyde par le carbone :


SiO2 + C -> SiO + CO si T < 1875 °C et
SiO2 + C -> Si + 2 CO si T > 1875 °C ou par action de l'hydrogène
SiO2(s) + H2(g) -> SiO(g) + H2O(g) si T > 1350 °C


Il a comme propriété principale d'être réducteur de l'eau à 550 °C du CO2 à 400°C du Cl2 à 800°C avec pour ce dernier l'obtention de tétrachlorure de silicium. Il réduit les solutions acides de fluorure d'argent, de cuivre ou de mercure ce qui donne des métaux purs. Une réduction de la dolomie à 1350°C permet d'obtenir du magnésium pur.
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:18

Deux autres oxydes sont mentionnés dans la littérature Si2O3 et Si(O2)2 mais leur existence est contestée.


Signalons encore que tous les composés SiH ou SiO ont une grande tendance à la polymérisation, nous l'avons vu avec les silicates mais il y a aussi tous les silicones
obtenus par action de HCl sur certains siliciures métalliques.
Actuellement ce terme de silicone est réservé aux composés
macromoléculaires organosilicés
donc on sort du cadre de cet exposé…


Même remarque pour les siloxanes, silanols et
siloxènes qu'il ne faut mentionner que pour dire qu'au départ de toutes
ces synthèses on a de la silice quelque part !


Il y a une certaine « parenté » avec le carbure de silicium ou carborundum SiC dont on n'a qu'un exemple à l'état naturel dans une météorite du Canion Diablo. La première fois, il a été obtenu par Depretz en faisant passer un courant électrique dans un cylindre de charbon noyé dans du sable (encore la silice !) méthode dont le principe est toujours utilisé aujourd'hui parmi d'autres. On a encore synthétisé SiC2, Si2C3, Si3C et Si2C mais seul SiC est utilisé pour sa dureté extrême comme abrasif et pour sa résistance électrique
aux hautes températures. On en fait aussi des électrodes, des
ultrafiltres, des transistors, mais, là aussi, on quitte le sujet de ce
dossier…


A - Le verre de silice pure


Sables quartzeux, quartzites et quartz hyalin sont les matières premières du verre de silice ou verre de quartz ; on peut aussi l'obtenir maintenant par synthèse directe.


Il y a différentes variétés de verres de silice.


B - Le verre de silice opaque


est obtenu à partir de sables quartzeux et son
aspect est dû à des bulles de gaz de quelques dixièmes de millimètre de
diamètre. Ces bulles proviennent de la fusion à pression normale du
sable et de la grande viscosité de la silice qui empêche les bulles de monter à la surface du liquide.


C - Le verre de silice transparent


est obtenu par fusion du cristal de roche qui donne
des lingots de silice pure et parfaitement limpide parce que la fusion
se fait sous vide et que les grains de quartz s'agglutinent les uns aux
autres sous la flamme du chalumeau. Les pièces étirées et soufflées sont
transparentes, les fibres optiques ont un aspect blanc mat à cause de
leur très petit diamètre.


Voici quelques caractéristiques techniques : sa résistance à la corrosion
permet l'utilisation de verrerie en quartz pour la chloration à chaud
de métaux et de minéraux ; résistance aux hautes températures, aux chocs
thermiques, aux influences électriques. Son faible coefficient de dilatation permet des changements de température brutaux. Bonnes caractéristiques d'isolation électrique même à hautes températures. Densité 2,2 ; dureté 6 à 7 ; indice de réfraction 1,4585 ; teneur en SiO2 99,99% minimum ; PF plus de 1700 degrés. Il s'obtient par fusion du quartz à très haute température, au-dessus de 2 000 °C.




Spectre transmission verre de silice

Quelques-unes de ses nombreuses utilisations dans le désordre : tous les systèmes optiques haut de gamme, téléscopes, lampes halogène, isolateurs électriques de haute température, tubes de gros diamètre pour l'industrie nucléaire, pyrométrie, supports de catalyseurs, vaisselle de laboratoire, usages en UV ou IR, industrie du semi-conducteur, verres de montre, feutres de silice, fil tissable de silice pure,….et bien sûr fibre de verre et fibre optique !


Deux des principaux fournisseurs de quartz cristal pour le verre de silice sont le Brésil et Madagascar, pour le sable quartzeux, pas de problème…il y en a beaucoup !


Le phénomène de dévitrification se produit au-dessus de 1000 degrés. Le verre de silice est métastable
et a tendance à revenir à un état cristallin, la cristobalite à ces
températures. Cette transformation n'est pas propre à la silice mais
elle affecte tous les verres et elle est provoquée par des impuretés de
surface, en particulier les alcalins qui servent de germes
à la cristallisation. Le phénomène est accentué par une rugosité de la
surface, une utilisation à très haute température et une propreté
défectueuse. Ce phénomène n'est pas très grave à haute température, le
volume spécifique de la cristobalite est, en effet, voisin de celui du
verre mais cette cristobalite présente un point de transformation allotropique
vers 230 avec un changement important de volume spécifique et si la
pièce refroidit, il se produit alors des tensions qui peuvent être cause
de fractures. On comprend mieux le soin qu'il faut apporter à la
fabrication et la manipulation de la silice pure et aussi la pureté du
produit demandée par les fabricants de semi-conducteurs par exemple.




Fil de quartz

-- Le tissu en fil de silice permet la fabrication de joints d'étanchéité
pour le gaz, isolation électrique, isolations de conduits de chauffage …
mais aussi les vêtements isolants contre la chaleur (jusqu'à 1 minute à
500 degrés) : pompiers, des gants qui permettent des manutentions
jusqu'à 1000 degrés : sidérurgie et céramique (raku). Et allié au kevlar ou au silicone par exemple on obtient des tissus hautes performances utilisables dans toutes sortes de domaines.




Torche humaine - Gants

-- La fibre optique : elle est
étirée dans des tours à étirer à partir d'éléments préformés en verre de
quartz très pur. Ces éléments préformés sont composés d'un noyau à
indice de réfraction plus élevé et d'une gaine enveloppante à indice de réfraction moins élevé. Ce qui provoque la réflexion totale de la lumière dans la fibre de verre étirée permettant son transport.




Coulage de la fibre optique

Les applications de la fibre optique sont nombreuses et les plus connues concernent : les télécommunications, pour la réalisation des réseaux haut débit et
l'audiovisuel,
pour la réalisation des réseaux câblés de télévision en association
avec le câble coaxial utilisé pour le raccordement de l'abonné. Mais
aussi en médecine, la fibre optique est notamment utilisée en chirurgie associée à un faisceau laser qui permet de : pulvériser un calcul rénal, découper une tumeur, réparer une rétine ...et en endoscopie,
pour éclairer l'intérieur du corps et transmettre les images jusqu'au
médecin. Citons encore quelques utilisations : le balisage, le
surlignage de bâtiments, le silhouettage, la décoration/illumination de
piscines, bassins, fontaines, la signalétique d'orientation et
d'information (panneaux de signalisation et enseignes), l'éclairage
(muséographique, architectural, espaces d'agrément publics ou
domestiques), la signalisation routière (ronds points, séparation de
voies de circulation)…




Fibres optiques

D - Electrostriction et piézoélectricité


En 1817, l' abbé René Just Haüy a découvert que
lorsqu'une force est appliquée dans certaines conditions sur un solide,
des charges électriques apparaissent sur ce solide. Puis en 1880, les
frères Pierre et Paul Curie ont totalement révélé l'effet
piézo-électrique. Il aura ensuite fallu attendre 1930 pour qu'apparaisse
la première horloge utilisant ce principe…


Un champ électrique polarise une substance diélectrique en y introduisant des moments dipolaires. Ce déplacement de charges, à partir de leurs positions d'équilibre, peut modifier les dimensions du solide : c'est l'électrostriction
qui existe à un degré plus ou moins important pour tous les cristaux.
Inversement une modification mécanique des dimensions d'un cristal, par
application de contraintes pourra créer des moments dipolaires : mais ce
phénomène n'existe que pour quelques cristaux tels que la somme des
moments qui apparaissent ne soit pas nulle. C'est le cas en particulier
des cristaux qui n'ont pas de centre de symétrie ou dont le système
cristal-compression a une symétrie de sous-groupe inférieur à celle du
tronc de cône de révolution qui, elle, est la symétrie caractéristique du champ électrique. Ce phénomène est appelé piézoélectricité. Tandis que l'électrostriction n'est pas réversible, la piézoélectricité l'est. Exemple : Pression sur un axe binaire : 1 kg/cm2, polarisation résultante : 2,3-7 Cb/m2 dans la même direction. Ces phénomènes sont dûs aux déplacements élastiques des atomes dans le cristal sous la contrainte de la force appliquée et sont donc réversibles, et s'il est obtenu par torsion du cristal on obtient un moment diélectrique.


Le matériau piézoélectrique type est le quartz. Le cristal doit être découpé en lames d'où seront tirés des parallélépipèdes, des cylindres et des lentilles
dont les dimensions définiront les propriétés vibratoires. On appelle
axe Z, ou axe optique, l'axe de symétrie d'ordre 3, parallèle à la
longueur du quartz : aucune propriété piézo-électrique ne lui est
associée. L'axe X (électrique) et l'axe Y (mécanique) sont dans un plan
perpendiculaire à Z. Par rapport à ces axes, on définit des "coupes"
utilisées pour les applications principalement électroniques du quartz,
qui sont baptisés (X, Y, NT, AT,... )Une lame de quartz
piézo-électrique, de coupe et de dimensions particulières, possède un
certain nombre de fréquences de résonance
mécanique propres. L'ordre de grandeur de la fréquence de résonance
propre est en effet en grande partie déterminé par la coupe.




Quartz piézo découpage

Cette lame est appelée « lame de Curie » et elle obéit aux trois lois de Curie.


1. Si l'on applique une force Fx
dans le sens de l'axe électrique, il apparaît des quantités
d'électricité sur les faces perpendiculaires à Ox. La charge Q sur la
face est proportionnelle à la force exercée, dépend de la matière
utilisée, mais indépendante des dimensions de la plaque.


2. Si l'on applique une force Fy
dans la direction de l'axe mécanique, des charges apparaissent à
nouveau sur les faces perpendiculaires à Ox, mais de signe opposé à
celles du cas précédent.


3.- Les efforts mécaniques dans la direction de l'axe optique ne donnent lieu à aucun effet piézoélectrique.


L'aspect du monocristal est lié à la configuration de la maille cristalline; celle-ci comprend 3 molécules de SiO2 dont la projection sur un plan normal à l'axe optique est représentée par la figure ci-dessous.




Quartz piézo fonctionnement

Dans cette structure, la densité moyenne d'électrons
est plus grande vers les atomes d'oxygène. On peut admettre que les
atomes d'oxygène portent une charge négative et ceux de silicium une
charge positive. Dans l'hexagone régulier, le barycentre
des charges positives coïncide avec celui des charges négatives. Quand
on exerce des forces opposées de compression suivant l'axe x, l'édifice
cristallin est déformé comme l'indique la figure. Le barycentre des
charges positives est déplacé vers le bas, et celui des charges
négatives, vers le haut. Il y a un moment électrique. Dans la masse
cristalline, d'une maille à la voisine, les charges vont se neutraliser
sauf aux deux extrémités, c'est-à-dire suivant les faces d'une lame
normales à x. Sur l'une on aura donc des charges positives et sur la
face opposée, des charges négatives. Cette déformation peut être obtenue
par une traction suivant l'axe mécanique y perpendiculaire à x. Si une
lame de Curie est soumise à une force ou à une tension électrique
variant dans le temps, elle peut se mettre à vibrer longitudinalement
(normalement aux faces). La résonance d'une lame est obtenue quand son
épaisseur est un nombre entier de demi-longueurs d'onde, les faces terminales correspondant à des ventres de déplacement. Une première cause d'amortissement est due à l'air
ambiant, mais on peut faire vibrer la lame dans le vide. Il reste une
cause interne d'amortissement qu'on appelle inélasticité ou frottement
interne du solide. Si on arrête l'excitation, la lame continue de
vibrer, les variations sinusoïdales d'épaisseur s'amortissant
exponentiellement. La fréquence de résonance varie avec la température
comme les propriétés mécaniques du cristal. Des tailles, sensiblement
plus compliquées à réaliser que celle de Curie, permettent d'obtenir des
modes de vibration en flexion ou en cisaillement avec des coefficients de température beaucoup plus faibles.


Les applications sont nombreuses en particulier les émetteurs.


Ce petit montage est assez facilement réalisable :
l'oscillateur Pierce est un oscillateur à quartz très simple. Le quartz
est relié entre le collecteur et la base de l'élément amplificateur : le
transistor. La fréquence d'oscillation est celle du quartz et sa
stabilité est bonne. Des essais ont été faits avec différents quartz 3,5
et 7 MHz. Le transistor doit avoir un gain suffisant pour que
l'oscillation ait lieu. La sortie s'effectue sur le collecteur par le condensateur de 56pF (une trop grande valeur risquerait provoquer le décrochage
de l'oscillateur). L'élément délicat est la self de choc de 1
millihenry. Faire des connexions les plus courtes possibles. Il peut
être utilisé comme élément d'émetteur. Avec une pile de 1,5 volts et une antenne, on a un émetteur audible à plusieurs décamètres sur un récepteur de trafic.




Montage émetteur

D'autres quartz sont utilisés comme oscillateurs dans les montres à quartz : pour une montre à quartz il faut une pile, une puce, un oscillateur, un cristal de quartz et un afficheur numérique. La pile alimente le circuit intégré
dont un des éléments est un oscillateur relié à un cristal de quartz
qui vibre très régulièrement 32768 fois par seconde parce que
l'oscillateur lui envoie un petit courant. Puis l'oscillateur transmet
ce signal à la puce qui le convertit par divisions successives en une
impulsion par seconde, alors transmise à l'afficheur digital.




Quartz de montre

L'effet piézo-électrique précédemment défini joue un
rôle primordial dans le fonctionnement de l'horloge : un circuit
électronique engendre un champ électrique qui, par effet
piézo-électrique inverse fait vibrer la lamelle de quartz. Par effet
piézo-électrique direct, il naît un signal électrique de même fréquence
qui stabilise l'oscillateur électronique en le forçant à vibrer à la
fréquence du quartz. On a donc un système bouclé qui constitue
l'oscillateur à quartz : l'oscillateur électronique entretient les
vibrations du quartz et le quartz stabilise l'oscillateur.




Gros plan de quartz de montre

La montre à quartz fut inventée aux Etats Unis par Warren Morrison en 1929. Mais c'est un instrument banal maintenant…


Processus d'obtention de monocristal de silicium pour l'industrie électronique.


Le silicium de qualité métallurgique est
obtenu à partir de sables très purs du désert australien, très riches en
silice et pauvres en composés néfastes tel le sodium,
selon un processus en deux temps: le matériau est attaqué chimiquement par HCl ce qui conduit à un mélange de SiCl4 et SiHCl3. Ce produit est alors réduit par l'hydrogène vers 1000°C. Ce silicium pur à 98-99% est impropre à l'utilisation pour l'industrie électronique qui nécessite du Si à > 99.9999%.


Cette purification est obtenue par le procédé de la zone fondue. Le barreau de silicium est introduit dans un four, en atmosphère
neutre ou sous vide, dans lequel on obtient la fusion d'une très faible
tranche du barreau. Les impuretés de la zone solide passent dans la
zone liquide qui s'enrichit en impuretés tandis que la phase solide se
purifie. Il suffit de déplacer lentement cette zone fondue pour
transporter les impuretés à l'extrémité du barreau. Plusieurs balayages
successifs permettent l'obtention d'un barreau pur. L'extrémité impure
est évidemment éliminée. Le silicium doit maintenant subir un double
traitement : enrichissement en matériau dopant afin d'en faire du
silicium comportant une proportion connue d'une impureté connue et
obtention d'un monocristal convenablement orienté. Cette opération est
réalisée dans un four de tirage selon la procédure imaginée par
Czochralski.




Fabrication de silicium cristal © cours EFFL Lausanne

Le silicium est fondu en atmosphère neutre, un germe
monocristallin orienté est amené au contact du liquide puis tiré vers
le haut (1mm/min) et mis en rotation (30 tr/min). Le liquide entraîné
par capillarité se solidifie en continuant à l'identique le réseau cristallin
du germe (épitaxie). Le dopage s'obtient en introduisant dans le bain
l'additif voulu en concentration voulue. Notons qu'il faudra que le
liquide soit plus riche en additif que ne le sera le solide souhaité ce
qui imposera un contrôle permanent de la phase liquide.




Fragment de wafer

L'opération suivante consiste, après
refroidissement, à découper le lingot en tranches de 100 à 300μm
d'épaisseur, appelées wafers. A partir de cet instant il est
indispensable d'opérer en atmosphère totalement dépoussiérée (pas plus
d'1 particule de taille supérieure au micromètre par cm3).


Suivent diverses manipulations dont principalement
l'élaboration de couches actives qui concernent alors la technologie du
silicium et sortent du cadre de cet exposé.
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MessageSujet: Re: c'est quoi du gel de silice fleur?   Mer 16 Jan 2013 - 0:19

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