Conduction électrique :
Certains solides conduisent l’électricité et certains ne le font pas. Nous allons voir d’où vient la conduction et la différence entre un conducteur et un isolant. La conduction est expliquée par la théorie de la bande.
Nous avons vu dans la section sur les orbitales moléculaires que les liaisons sont la combinaison des orbitales atomiques des atomes liés.
La largeur de la bande augmente avec le nombre d’atomes mais la différence d’énergie entre les orbitales moléculaires diminue de manière significative et dans les métaux les atomes sont tous liés entre eux menant à un continuum des orbitales moléculaires, une bande.
L’énergie nécessaire à un électron à sauter d’une orbitale inférieure à un niveau supérieur est donc petit à l’intérieur des groupes et une agitation thermique simple peut suffire.
Les bandes peuvent s’étendre sur une large gamme d’énergie mais il peut y avoir un peu d’espace entre les deux bandes des orbitales moléculaires. Les plages de l’énergie non couvertes par une bande sont appelées lacunes de la bande (band gaps). Dans certains cas il n’y a pas d’espace entre deux bandes: celles-ci se chevauchent.
Les électrons dans les solides respectent le principe d’exclusion de Pauli : les niveaux d’énergie inférieurs sont remplis d’abord et par paires d’électrons. L’orbitale moléculaire occupée la plus élevée est appelée HOMO et celle inoccupée, la plus basse, est appelée LUMO. La HOMO et la LUMO peuvent être dans la même bande ou dans des bandes séparées par un espace.
La distribution de Fermi-Dirac f (ε) donne la probabilité que (à l’équilibre thermodynamique) un électron occupe un état ayant une énergie ε.
T est la température, k est la constante de Boltzmann et μ est le potentiel chimique total. Le potentiel chimique est une forme d’énergie potentielle qui peut être absorbée ou libérée au cours d’une réaction chimique ou d’une transition de phase.
S’il y a un état au niveau de Fermi (ε = μ), alors cet état aura une chance de 50% d’être occupé à un moment donné. C’est au voisinage du niveau de Fermi que l’on trouve les orbitales LUMO et HOMO. La conductivité d’un solide dépendra de la capacité des électrons de passer d’une orbitale HOMO à une orbitale LUMO. Dans un métal le niveau de Fermi se trouve dans une bande et il est donc très facile pour les électrons de sauter de la HOMO à une orbitale inoccupée. Rappelez-vous aussi que dans les métaux certains électrons ne sont pas liés à des atomes mais sont partagés et peuvent se déplacer à l’intérieur du solide. Pour ces raisons les métaux conduisent bien l’électricité.
Le niveau de Fermi dans les semi-conducteurs est dans un petit espace. Il est alors nécessaire de donner une énergie supplémentaire, équivalente à l’écart de l’énergie, aux électrons pour leur faire atteindre la LUMO. La bande juste en-dessous du niveau de Fermi est appelée la bande de valence du fait que les électrons de valence sont en équilibre dans cette bande. La bande juste au-dessus du niveau de Fermi est appelée la bande de conduction. Un semi-conducteur conduit l’électricité lorsque les électrons peuvent passer de la bande de valence à la bande de conduction. Dans un isolant l’écart est plus grand et il est donc difficile pour les électrons d’atteindre la bande de conduction.
La supraconduction :
Compte tenu de cela une augmentation de la température conduit à une meilleure conduction. Cependant ce n’est pas toujours vrai. Les superconducteurs sont des matériaux particuliers dont la résistance tombe à zéro quand ils sont refroidis en dessous d’une température critique qui peut varier en fonction du matériau des supraconducteurs. C’est un phénomène de la mécanique quantique caractérisé par l’effet Meissner : quand un supraconducteur est placé dans un champ magnétique externe faible et refroidi en dessous de la température critique, le champ magnétique ne peut plus pénétrer dans le matériau (en fait, il le fait mais seulement sur une très petite distance). Dans les supraconducteurs les électrons sont liés par paires, appelées les paires de Cooper. Malgré la répulsion à laquelle nous pouvons nous attendre entre deux électrons, une attraction peut exister à des températures très basses en raison de l’interaction électron-phonon. Un phonon est un mode de vibration des atomes du réseau. La vibration a une fréquence donnée et donc une énergie (E = hv). Les électrons d’une paire de Cooper ne sont pas nécessairement proches parce que cela est une interaction à longue portée. Cette interaction est très faible mais si l’on considère de nombreuses paires d’électrons le jumelage ouvre une brèche dans les états d’énergie permises des électrons. Cet écart empêche les petites excitations des électrons ce qui conduit à une chute de la résistance électrique à zéro et la supraconduction.
Les supraconducteurs sont également des électro-aimants les plus puissants. Ils sont utilisés dans plusieurs applications. L’un d’eux est le train le plus rapide sur terre, le Maglev, qui utilise des aimants superconducteurs pour faire léviter plusieurs centimètres au-dessus des rails.
Conduction thermique :
La conduction thermique est la quantité de chaleur qui se propage à travers un matériau par unité de temps. Plus la conduction thermique est élevée, plus un matériau est conducteur de la chaleur. Un produit d’isolation a une faible conduction thermique. Une conduction thermique de 1 Wm-1K-1 est la quantité de chaleur qui se propage sur 1 seconde à travers un bloc de matériau avec une surface de 1m2 et une largeur de 1 m quand une différence de température de 1K est appliquée entre deux faces opposées du matériau.
La chaleur se propage à partir de l’emplacement le plus chaud vers l’emplacement le plus froid. Cela peut sembler évident mais quand nous touchons quelque chose de froid, le froid ne vient pas de l’objet froid vers nous mais plutôt c’est nous qui donnons la chaleur à l’objet froid.
Quand nous cuisinons, la poignée des casseroles sont isolés afin que nous puissions les attraper sans nous brûler les mains. La casserole elle-même doit être un bon conducteur de chaleur.
Les défauts dans les cristaux :
L’arrangement dans un cristal est rarement parfaite. En fait, sauf à 0 K, les solides ont des défauts dans leur arrangement. Il est le résultat de la deuxième loi de la thermodynamique (chapitre suivant) qui dit que le trouble de l’univers doit augmenter pendant tout processus. Une faille dans un cristal augmente le désordre dans le cristal : il n’y a qu’une seule façon de procéder à un arrangement parfait des atomes mais il y a beaucoup de possibilités pour placer une faille dans cet arrangement.
En conséquence le cristal parfait est uniquement possible au zéro absolu. Pour de plus grandes températures le cristal a une certaine énergie à partir de la chaleur qui est transformée en énergie potentielle par des défauts.
Différents types de défauts existent :
Défaut ponctuel : un atome individuel n’est pas placé correctement dans l’arrangement. Plusieurs cas peuvent être triés:
1) Un atome est manquant dans le dispositif : il a été expulsé de l’âme du cristal à la surface. Il est appelé un défaut de Schotty.
2) Un atome est au mauvais endroit : l’atome est encore dans le noyau du cristal mais pas aligné avec les autres atomes. Il est appelé un défaut de Frenkel.
3) Un atome a été remplacé par un autre.
Défauts linéaires : une ligne d’atomes est hors de l’arrangement.
Les défauts des plans : ils viennent de la fusion de deux cristaux qui croissent dans des directions différentes.
Les alliages :
Un alliage est un solide composé de plusieurs éléments et ayant les propriétés d’un métal. Différents types d’alliages existent :
Alliage de substitution : des atomes du métal sont remplacés par d’autres atomes de taille similaire. L’acier inoxydable est un alliage de substitution dont certains sont remplacés par Fe Cr et Ni, respectivement dans les proportions de 18% et 8%.
Alliage interstitiel : petits éléments sont ajoutés dans les interstices entre les atomes du réseau. Si vous vous souvenez nous avons vu qu’ il y a beaucoup d’espace vide dans les cristaux et les petits ions peuvent être insérés dans les trous entre les atomes.
Alliage mixte : il est une combinaison de l’alliage interstitiel et de l’alliage de substitution.
Les propriétés des alliages dépendent des éléments composant l’alliage et peuvent changer de façon drastique les propriétés du métal principal. Un métal comme l’aluminium qui est flexible peut devenir dur si nous le mélangeons le manganèse avec elle. Cependant, ce mélange rend le solide très sensible à l’eau.
Le dopage des semi-conducteurs :
Les semi-conducteurs peuvent être dopés par l’addition intentionnelle d’impuretés dans leur structure. Les impuretés ont pour effet d’ajouter ou de retirer des électrons de la grille. Dans le cas des électrons supplémentaires ceux qui sont destinés à combler le déficit de bande entre la valence et les bandes de conduction. Suppression des électrons proviennent de la bande de valence de sorte que l’écart est déplacé.
Les semi-conducteurs de la colonne IVa sont dopés par des éléments des colonnes IIIa ou Va. Le remplacement d’un Si par un P (Va) augmente la quantité d’électrons dans le réseau. C’est aussi le cas quand un élément de la colonne III a (comme B) est inséré dans les trous de la grille. Un dopage où les électrons sont introduits dans le réseau est appelé de type N (n pour négatif) ou de type n. Nous disons aussi que Si utilise P comme un donneur (d’électrons).
Les éléments de la colonne IIIa peuvent également remplacer des atomes de Si dans le réseau. Dans ce cas le réseau perd un électron par atome remplacé. L’atome inséré, Al par exemple, a un électron de moins que les autres atomes. Il crée un «trou positif» dans le réseau. Un dopage où les électrons sont enlevés de la grille est appelé le type p (p pour positif ) ou de type p. Nous disons aussi que Si utilise Al comme un capteur (des électrons).
Les semi-conducteurs ou les autres colonnes peuvent également être dopés de la même façon par les éléments d’une colonne inférieur ou supérieur.
Les diodes
Une diode de type p-n jonction est constituée d’un cristal semi-conducteur : des impuretés sont ajoutées pour créer, sur un côté, une région qui contient des électrons pour la formation d’un semi-conducteur de type n et de l’autre côté une région qui contient des trous formant un semi-conducteur de type p. La frontière entre ces deux régions, appelé la jonction ap-n, est l’endroit où l’action de la diode a lieu. Lorsque les deux matériaux sont liés ensemble un flux d’électrons se produit à partir du côté n vers p. Comme les électrons circulent il est maintenant une région où aucun des porteurs de charge (électrons et trous dans ce cas) sont présents. Cette région est appelée la région d’appauvrissement. Le cristal permet aux électrons de circuler depuis le côté de type n (appelée la cathode) vers la partie de type p (appelée l’anode) mais pas dans la direction opposée.