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MATIÈRE (physique) État solide

Les caractéristiques structurelles

On sait fabriquer, pour les besoins de l'industrie des composants électroniques, du silicium monocristallin sans défaut, sous forme de barreaux de plusieurs centimètres de longueur et de quelques centimètres carrés de section. Mais la plupart des cristaux, même de faibles dimensions, comportent toutes sortes de défauts, qui sont tantôt néfastes, tantôt indispensables pour l'utilisation des solides. Ainsi, on ne pourrait pas braser un métal si certains de ses atomes (en faible proportion, de l'ordre de 10–4) n'étaient manquants dans le réseau cristallin ; on dit que le métal contient des lacunes. De même, les métaux seraient beaucoup moins fragiles s'ils ne contenaient pas de dislocations. Dans le silicium on remplace un atome sur 10 ou 100 millions par des atomes d’arsenic ou de bore pour fabriquer les jonctions des diodes ou des transistors ; on dit qu'on dope le semi-conducteur avec des défauts « donneurs » ou « accepteurs ».

Les lacunes et la diffusion

Dans un solide, une lacune est un atome absent d'un des sites cristallins. La proportion de lacunes reste en général très faible. La thermodynamique statistique prédit que la concentration de lacunes dans le cuivre atteint 5 × 10–5 à la température de fusion (1 336 K) et devient négligeable à la température ambiante. C'est le phénomène de diffusion des atomes à l'intérieur du solide qui rend possible la disparition des lacunes. La diffusion correspond au saut d'un atome depuis le site qu'il occupe jusqu'au site voisin supposé être lacunaire ; l'atome laisse donc à sa place une lacune qui pourra servir de site d'accueil pour un autre atome. L'atome a besoin d'énergie pour se déplacer ainsi de lacune en lacune ; il la trouve sous forme d'énergie thermique dans son environnement qui le maintient à une température fixée. La diffusion est d'autant plus efficace que la température du solide est élevée ; c'est ainsi que, à 1 100 kelvins, des atomes à l'intérieur d'un cristal de cuivre parcourent une distance de 5 micromètres en une heure. De même le dopage des semi-conducteurs s'effectue par cette technique de diffusion à haute température.

Atomes interstitiels et défauts de Frenkel

Les atomes interstitiels sont des atomes qui s'introduisent dans les interstices du réseau cristallin et produisent des distorsions locales du réseau. Ces distorsions sont a priori très importantes quand les atomes interstitiels sont identiques ou de même diamètre que les atomes du réseau hôte. L'énergie qu'il faut fournir pour introduire un interstitiel est très grande et l'énergie thermique n'est en général pas suffisante. En pratique, les interstitiels sont créés en bombardant le solide avec des particules de forte énergie, qui éjectent les atomes de leur site cristallin et les placent en position interstitielle. En même temps, ce bombardement produit des lacunes ; un défaut de Frenkel est un couple lacune-interstitiel qui joue un rôle important dans certaines propriétés comme les propriétés optiques des isolants.

Les impuretés substitutionnelles

Dans les conditions pratiques d'élaboration des solides, il y a toujours des atomes étrangers qui s'introduisent. L'atmosphère, même raréfiée, du milieu de préparation, les creusets qui contiennent ou les substrats qui supportent le solide, les produits chimiques de départ, qui ne sont jamais purs à 100 p. 100, et bien d'autres impondérables sont des sources de contamination. Pour peu que leurs propriétés électroniques soient semblables à celles des atomes du solide, ces impuretés peuvent se substituer aux atomes du solide. Leur présence peut être un grave inconvénient ; ainsi, pour tréfiler du cuivre, il est important de le purifier par électrolyse. Au contraire, le dopage des semi-conducteurs,[...]

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Écrit par

  • : docteur ès sciences, professeur des Universités, université de Picardie

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Autres références

  • ÉTAT DE LA MATIÈRE, notion d'

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 521 mots

    L'expérience quotidienne permet à chacun d'appréhender la notion d'état de la matière (parfois appelé phase) et celle de transition de phase qui lui est étroitement liée. L'exemple typique est celui des trois états si différents que prend l'eau lorsque sa température varie : à partir de 0 ...

  • MATIÈRE, notion de

    • Écrit par Jean-Marc LÉVY-LEBLOND
    • 2 022 mots

    Le mot « matière » cache sous sa généralité abstraite une origine concrète fort éclairante. En latin archaïque, materia appartient à la langue rustique et désigne la substance dont est fait le tronc de l'arbre, en tant qu'elle est productrice (de branches, de feuilles). L'élargissement successif...

  • ANTIMATIÈRE

    • Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
    • 6 931 mots
    • 4 médias
    ...associé est bâti avec les antiquarks correspondants. Les mésons résultent de la liaison d'un quark et d'un antiquark. Dans cette description moderne, la matière est constituée par trois « générations » de quarks et de leptons, le nombre trois a été établi par les expériences du C.E.R.N. (laboratoire européen...

  • ATOME

    • Écrit par José LEITE LOPES
    • 9 140 mots
    • 13 médias

    L'atome est le terme ultime de la division de la matière dans lequel les éléments chimiques conservent leur individualité. C'est la plus petite particule d'un élément qui existe à l'état libre ou combiné. On connaît 90 éléments naturels auxquels s'ajoutent le ...

  • BOHR ATOME DE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 369 mots
    • 1 média

    Deux ans après avoir soutenu sa thèse sur la théorie électronique des métaux, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) écrit en 1913 trois articles fondamentaux qui révolutionnent la compréhension de la structure de la matière. Le premier, paru le 5 avril dans le Philosophical Magazine...

  • ATOMIQUE PHYSIQUE

    • Écrit par Philippe BOUYER, Georges LÉVI
    • 6 651 mots
    • 1 média

    La physique atomique est née des expériences effectuées à la fin du xixe siècle qui ont montré que la matière était discontinue et formée d'atomes possédant une structure interne ; celle-ci étant à l'origine des raies observées dans les spectres d'émission et d'absorption du rayonnement par les...

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Voir aussi

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