Physique Les Matériaux Solides

Les matériaux solides ont toujours accompagné le développement de l’Homme depuis les temps les plus reculés. L’Homme a pris très tôt connaissance des propriétés physiques des matériaux et les a utilisées pour survivre et satisfaire ses besoins. Il a par exemple utilisé la bonne aptitude du silex à être taillé pour fabriquer ses premiers outils. Trois mille ans avant notre ère, l’ajout de minerai d’étain au minerai de cuivre avait produit le bronze en Mésopotamie. La propriété d’attraction de certains matériaux, appelés par la suite matériaux magnétiques, était connue longtemps avant notre ère comme le montre un manuscrit chinois datant d’avant 645 avant notre ère. La fonte a été développée en Chine deux-cents ans avant notre ère. Ces quelques exemples montrent la très ancienne complicité entre l’Homme et les matériaux solides. Cependant la mise en œuvre de leurs propriétés par l’Homme s’est faite tout le temps de façon empirique. La détermination de leur origine et leur modélisation ne sont intervenues que dans les deux derniers siècles, le dix-neuvième et le vingtième, même si quelques bribes sur la structure des matériaux avaient été énoncées quelques temps avant. Ainsi le minéralogiste Haüy avait caractérisé les faces des cristaux par trois nombres entiers, appelés indices de Miller, à la fin du dix-huitième siècle. Une nouvelle discipline la “Science des Matériaux” est née et a tracé son chemin dans ces deux siècles. La science des matériaux a permis de lier les propriétés physiques des matériaux solides à leur structure microscopique interne et de développer ainsi des modèles. La découverte de l’électron en 1897, précédée d’hypothèses sur son existence, a conduit au développement des modèles sur la conduction électrique en association avec le développement de la mécanique quantique. La découverte des rayons X en 1895 a donné lieu à des expériences de diffraction X et accéder ainsi indirectement à la structure interne des matériaux. Le dix-neuvième et le vingtième siècle ont posé les fondements de l’extraordinaire mutation sociétale intervenue à la fin du vingtième et au début de vingt et unième siècles. Les dispositifs électroniques qui datent de la deuxième moitié du vingtième ont conduit à l’explosion des communications, de l’automatisation et maintenant de l’intelligence artificielle. Par ailleurs, la fabrication de nouveaux matériaux plus résistants et plus légers a permis le développement de l’aéronautique. Ces avancées ont favorisé une démocratisation de l’accès aux outils matériels permettant une vie plus facile à l’échelle mondiale. L’Homme vit certainement beaucoup mieux qu’il y a juste quelques années. Cependant, ce développement accéléré risque de plus en plus de diviser la société entre ceux qui réfléchissent, conçoivent et mettent en œuvre, et la très grande large partie de la population qui utilise les produits. Le danger du développement actuel est bien là. Pour l’éviter, il est nécessaire de développer la curiosité, la soif de connaissances, l’intérêt pour tout ce qui nous entoure et ne pas se contenter de son rôle de consommateur. Le présent ouvrage essaie d’entrer dans cette problématique en présentant aux étudiants en sciences de licence et master, les propriétés physiques des matériaux solides. Les propriétés sont très diverses, allant de la structure physique, aux propriétés mécaniques, électriques, optiques et magnétiques. Il est évidemment destiné en premier lieu aux étudiants qui se destinent à la science des matériaux. Mais la science des matériaux est suffisamment vaste pour englober différentes spécialités. Les étudiants pourront ensuite se spécialiser dans différents domaines comme la mécanique, l’optique ou l’électronique... Il sera tentant alors pour eux de privilégier une de ces disciplines. Ils devront être cependant convaincus durant l’année ou les années d’étude des sciences des matériaux, que toutes les propriétés physiques des matériaux sont intimement liées. Il serait illusoire de penser réussir dans une quelconque de ces disciplines sans posséder un minimum de connaissances des autres. Tout développement de l’une a des conséquences directes sur les autres. Les connaissances que présente cet ouvrage sont suffisamment générales pour pouvoir intéresser d’autres étudiants que ceux des sciences des matériaux. La pluridisciplinarité est actuellement la clé de tous les succès. Le développement pas exemple des outils en médecine et en biologie oblige les spécialistes de ces domaines à s’intéresser à la mécanique des matériaux, aux techniques électriques de détection de protéines ou d’ADN, ... Il ne s’agit évidemment pas de transformer des biologistes en physiciens, mais de leur donner un minimum de savoir pour discuter avec leurs collègues physiciens ou électroniciens qui développent les outils dont ils ont besoin. Le présent ouvrage leur sera certainement utile. Cette nécessité d’une pluridisciplinarité peut être illustrée à travers l’exemple d’une multinationale mondialement connue qui développe des circuits et puces électroniques. La production de ces circuits nécessite un travail préalable de conception des étapes de fabrication. C’est un travail basé essentiellement sur l’utilisation de logiciels. L’entreprise a pensé bien faire en délocalisant son centre de conception (centre de design) dans un pays où la main-d’œuvre informatique est moins chère. Aucun circuit n’a pu sortir de ce centre de design pendant trois années, obligeant l’entreprise à le rapatrier. La conception de circuits, certes basée sur l’utilisation de logiciels, nécessite quelques connaissances en physique et en technologie que ne possèdent pas des informaticiens purs. L’ouvrage est constitué de dix chapitres suivis par des exemples de problèmes corrigés synthétisant plusieurs propriétés. Ceci illustrera le lien entre toutes les propriétés. Le premier chapitre montrera comment un matériau définit sa structure physique en partant de la nature des atomes qui le composent. Il définira ensuite les différentes structures, leurs propriétés et comment les caractériser. Dans le second chapitre, nous verrons comment les matériaux solides se déforment sous l’effet d’une contrainte et comment des ondes peuvent s’y propager. Il abordera particulièrement le cas des matériaux en couches minces déformables ou pliables. Ce dernier cas est d’une grande importance actuellement dans les applications nouvelles utilisant des dispositifs souples comme les patches, les écrans pliables… En dernier lieu, le chapitre étudiera la vibration des atomes sous l’effet de la température par exemple. Le troisième chapitre s’appuiera sur cette vibration des atomes pour étudier les propriétés thermiques des matériaux solides liées à ces atomes telles que la capacité thermique massique (ou chaleur spécifique) et la conductivité thermique. Le quatrième chapitre étudiera la possibilité des matériaux solides de transporter des charges électriques. Il présentera les différents modèles de conduction électrique, chronologiquement en partant du modèle de l’électron libre, dit modèle de Drude, avec ses succès et ses limites, puis la correction du modèle apportée par Sommerfeld et enfin la prise en compte du potentiel des atomes dans la détermination de la conduction électrique. Le cas particulier des solides amorphes, si important actuellement dans les écrans plats, sera aussi abordé. Le chapitre présentera enfin les effets particuliers comme l’émission d’électrons à partir d’un matériau, les effets au contact entre deux conducteurs et les effets thermoélectriques. Le cinquième chapitre est dédié aux matériaux solides semiconducteurs qui sont à la source du mode de vie connecté actuel. Il suffit d’imaginer un monde sans smartphone, sans télévision, sans réseaux sociaux, sans ordinateurs, sans tablettes, sans internet, sans information en temps réel, sans suivi des paramètres physiologiques lors de nos séances de sport ... Ce serait le retour au dix-neuvième siècle. Après une présentation des propriétés de ces semiconducteurs et en particulier la possibilité de créer artificiellement des semiconducteurs où la conduction par les électrons l’emporte ou d’autres semiconducteurs où c’est la conduction par les trous (particules de charge positive, égale en valeur absolue à celle des électrons) qui domine. Le grand succès des semiconducteurs vient de cette possibilité. Les propriétés des deux types de diodes, PN et Schottky, et de la structure métal-isolant- semiconducteur, qui sont la conséquence directe de cette possibilité, seront présentées comme exemples des dispositifs électroniques. Le présent ouvrage ayant pour but l’étude des propriétés des solides, n’a pas la prétention de présenter les dispositifs plus compliqués comme les transistors. Le lecteur les trouvera certainement dans les ouvrages de physique des semiconducteurs ou d’électronique. Le chapitre présentera dans sa dernière partie les semiconducteurs de structure non cristalline comme les semiconducteurs amorphes et les semiconducteurs poly(micro ou nano)-cristallins. Le sixième chapitre se penchera sur l’étude des propriétés diélectriques des solides. Les isolants électriques avec une résistivité électrique théorique infinie ou une conductivité électrique théorique nulle illustrent bien ces propriétés. Il s’agit de comprendre le comportement de ces isolants sous l’effet de l’application d’un champ électrique constant ou alternatif. Ces isolants ne comportent pas de charges libres comme les électrons libres mais des charges fixes (ou liées) dont la position peut varier légèrement sous l’effet du champ électrique. Le déplacement de ces charges aboutit à une polarisation du matériau qui disparaît en supprimant le champ appliqué. Cependant, certains matériaux, appelés ferroélectriques, conservent cette polarisation même en l’absence de champ. D’autres matériaux, dits piézoélectriques, voient eux, apparaître une polarisation sous l’effet d’une déformation mécanique. L’effet inverse d’apparition de déformation sous l’effet de l’application d’un champ électrique existe aussi. Les matériaux ferroélectriques sont à la base des mémoires électroniques. Le premier dispositif utilisant la piézoélectricité est l’oscillateur électrique stabilisé par un cristal de quartz. Les applications actuelles de la piézoélectricité sont les capteurs de pression où la variation de pression induit l’apparition d’une tension électrique. L’effet inverse est utilisé surtout dans les actionneurs comme par exemple les cartouches des imprimantes à jet d’encre. Le septième chapitre est consacré aux propriétés optiques des matériaux solides. Ces propriétés sont directement liées à l’interaction lumière-solide. Nous nous intéresserons à l’absorption et à l’émission de lumière par les solides. Ceci nous amènera à présenter les dispositifs électro-optiques ; les détecteurs et capteurs de lumière (photorésistance et photodiode) et les émetteurs de lumière (diode électroluminescente et diode laser). Le huitième chapitre nous amènera vers la présentation des propriétés magnétiques des solides. Nous verrons les différents effets existants ou affectant les matériaux: diamagnétisme, paramagnétisme, ferromagnétisme, antiferromagnétisme et ferrimagnétisme. Les nombreuses applications de ces effets seront présentées dans la suite. Nous passerons en revue les aimants permanents et surtout les différentes variantes de la magnétorésistance ou effet d’un champ magnétique sur la résistance électrique des matériaux. Nous aborderons en particulier la magnétorésistance géante (GMR) et la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) qui sont utilisées dans les têtes de lecture et d’écriture des disques durs et dans les mémoires vives magnétiques. Les mémoires MJT-MRAM (Magnetic Tunnel Junction-MRAM) constituent l’essentiel du marché des mémoires actuellement. Le neuvième chapitre traite d’un phénomène particulier, la supraconductivité qui est à la frontière entre les propriétés électriques et les propriétés magnétiques. La résistivité électrique de certains matériaux devient nulle à des températures inférieures à une température critique. L’annulation de la résistance a pour conséquence la circulation indéfinie d’un courant électrique dans le matériau sans aucune diminution. Ainsi le transport d’électricité dans les câbles électriques se fera sans aucune perte. L’autre application importante est la lévitation magnétique. Le champ magnétique ne traverse pas un matériau supraconducteur. Un aimant ne peut pas se poser sur un supraconducteur. Il reste suspendu au-dessus. Ainsi, un train circule depuis 2004 entre l’aéroport et la ville de Shanghai à une vitesse maximale de 431 km par heure grâce à sa suspension sur le rail (sans le toucher et donc sans frottements). La plus grosse difficulté est la faible température critique. Malgré de très grands progrès, particulièrement depuis 1986, la température critique ne dépasse guère 120 K. Les câbles électriques doivent être refroidis à l’azote liquide pour être supraconducteurs. Mais cette limitation n’est pas rédhibitoire dans la mesure où les gains économiques dépassent les pertes liées à la nécessité de refroidir des lignes électriques de faible longueur, alimentant un quartier par exemple. Après la description des propriétés des matériaux solides dans les neufs premiers chapitres, il n’était pas pensable de clore l’ouvrage sans la présentation du devenir de toutes ces propriétés quand la taille des matériaux devient très petite, de l’ordre ou inférieure à la centaine de nanomètres. Le dixième chapitre est dédié à cette présentation. Ces matériaux de petite taille, les nanomatériaux, envahissent le domaine des applications grâce à leurs propriétés particulières. Ils ont même donné naissance à une nouvelle discipline, la nanoscience. Evidemment, il n’est pas question d’aborder dans le cadre de cet ouvrage la nanoscience et son corollaire, la nanotechnologie. Cependant, il était intéressant de présenter la problématique et d’essayer de comprendre, à travers quelques exemples, le devenir des propriétés des matériaux macroscopiques, quand la taille devient nanométrique. Cette présentation succincte permettra de faire naître peut être des vocations. Des problèmes corrigés, suffisamment généraux englobant plusieurs propriétés, viennent clore l’ouvrage.