solide, physique du

1

Présentation

solide, physique du, branche de la physique qui étudie les propriétés mécaniques, thermiques, électromagnétiques et optiques des solides, en relation avec leur structure microscopique.

2

Étendue de la physique du solide

La physique du solide est un domaine relativement récent de la physique. Elle s'est développée au cours du XX^e siècle, bénéficiant des importantes avancées scientifiques, en particulier dans la diffraction des rayons X, les microscopies à haute résolution qui permettent de visualiser la matière à l'échelle atomique, et les propriétés des semi-conducteurs. La physique du solide fait appel à plusieurs disciplines : la cristallographie, la mécanique, l’électromagnétisme, l’optique, la mécanique quantique, la thermodynamique et la mécanique statistique.

Parmi les plus importantes réalisations techniques de la physique du solide, on compte les transistors et les circuits intégrés, les fibres optiques et les lasers. Actuellement, les matériaux concernés par la physique du solide peuvent être classés en cinq catégories : les semi-conducteurs et les matériaux pour l’optoélectronique ; les verres, céramiques et métaux ; les polymères ; les matériaux composites ; et les matériaux pour l’électrochimie et la catalyse.

3

Théorie des bandes

La physique du solide se propose d'expliquer les propriétés d'un solide en considérant la nature de ses atomes et leur arrangement dans l'espace. Cette partie de la physique a tout d'abord étudié les cristaux, en raison de la régularité de leur structure. En effet, les atomes d'un cristal forment un réseau uniforme : ils sont répartis régulièrement dans l'espace, suivant une périodicité géométrique. Cette régularité de structure a permis d'appliquer la théorie quantique aux cristaux. La cristallographie, dont l’objet est la détermination de la structure et des propriétés des cristaux, est donc à la base de la physique du solide. Cette dernière repose principalement sur la théorie des bandes, qui permet de décrire de façon simple les propriétés physiques des cristaux parfaits, comme leurs conductivités thermique et électrique ou leurs propriétés optiques.

Le solide, système complexe, contient un grand nombre d'atomes et d'électrons. Un atome comporte plusieurs niveaux d'énergie distincts ; un électron lié à cet atome se trouve nécessairement dans l'un de ces niveaux. Cependant, dans une structure cristalline, les niveaux d'énergie des atomes indépendants se rassemblent dans la structure globale du cristal pour former des bandes d'énergie. La présence d'électrons dans ces dernières est permise. Ces bandes d'énergie « autorisées » sont séparées par des zones « interdites ». La structure de la bande étant propre au cristal, chaque atome peut fournir un électron de valence pour remplir les bandes autorisées. Selon le principe d'exclusion de Pauli, les électrons remplissent les niveaux d'énergie deux par deux. Les niveaux et les bandes d'énergie sont représentés sur un diagramme vertical, suivant les énergies croissantes. Les deux bandes d'énergie les plus élevées sont la bande de valence et la bande de conduction, séparées par la bande interdite. Au zéro absolu, les plus bas niveaux d'énergie du cristal sont remplis. À des températures supérieures, les électrons acquièrent de l'énergie : certains se déplacent alors vers des niveaux d'énergie plus élevés. Le niveau de Fermi constitue la « ligne de séparation » au-dessus de laquelle les niveaux d'énergie tendent à être vides et en dessous de laquelle les niveaux d'énergie tendent à être remplis. Il permet de déterminer les propriétés conductrices d'un matériau.

Si le niveau de Fermi est situé au milieu d'une bande autorisée, le solide est conducteur d'électricité. C'est le cas de l'argent et du cuivre. En effet, dans ce cas, même de faibles énergies peuvent exciter des électrons présents dans le niveau rempli de plus haute énergie : ces électrons se déplacent alors vers le niveau inoccupé de plus basse énergie. Cette mobilité des électrons explique les propriétés des conducteurs : conduction de l'électricité et de la chaleur, capacité d'absorption de la lumière, opacité. Si le niveau de Fermi est situé au-delà d'une bande autorisée et qu'il existe un intervalle relativement grand entre celui-ci et la bande autorisée suivante, alors le solide est isolant, comme le diamant ou le quartz. Un isolant est peu conducteur de chaleur et d'électricité ; en outre, il n'absorbe pas la lumière (il est généralement transparent). Enfin, si le niveau de Fermi est proche de la limite supérieure d'une bande, et que l'intervalle d'énergie interdite situé au-dessus du niveau est étroit, le solide est un semi-conducteur, comme le silicium.

4

Phonons

La seconde contribution fondamentale de la mécanique quantique dans l’étude des solides réside dans le concept de phonon. Cette description quantique des vibrations des atomes ou molécules qui constituent le matériau permet de déterminer avec précision ses propriétés thermiques, ainsi que l’influence de la température sur les propriétés optiques (interactions phonons-photons) ou de conduction électrique (interactions phonons-électrons).