Qu'est-ce qui fait qu'un matériau est un métal ou un isolant? Dans le premier cas, il conduit l'électricité, dans le deuxième, il ne la conduit pas. Voilà, tout est dit, ou presque... En fait, pourquoi est-ce qu'un matériau conduit l'électricité et pas l'autre? On pourrait s'attendre à ce que la réponse à cette question soit facile. Oui et non. Il a fallu attendre le début du XXe siècle pour que les physiciens comprennent ce qui se passe, à l'aide de la toute neuve théorique quantique. Avec le recul, toutefois, il est maintenant possible d’expliquer en quelques paragraphes ce qui se passe.
Abonnez-vous à notre infolettre!
Pour ne rien rater de l'actualité scientifique et tout savoir sur nos efforts pour lutter contre les fausses nouvelles et la désinformation!
La mécanique quantique nous apprend que les atomes sont formés d'un noyau très petit (10-15m), composé de protons, chargés positivement, et de neutrons, des particules neutres. Autour de celui-ci circulent les électrons, chargés négativement. On pourrait s'attendre à ce que ceux-ci rejoignent rapidement les protons, dans le noyau, car on sait que les négatifs adorent les positifs. Heureusement, les électrons sont interdits de séjour dans le noyau; ils sont condamnés à errer autour de celui, à très grande distance (10-10m), sans jamais pouvoir s’en approcher. Pire, les électrons ne peuvent visiter que des orbites bien définies autour du noyau, avec un maximum de deux électrons par orbite. Chacune de celle-ci, qu'on appelle orbitale dans le jargon, possède une énergie également bien définie.
Considérons le cas du carbone, avec 6 électrons. On place les deux premiers dans l'orbitale de plus faible énergie, puis on en place deux dans la suivante, d'énergie supérieure, deux dans la troisième et aucun dans la quatrième orbitale et les suivantes. Cet état est appelé état fondamental. Lorsque les atomes sont excités, ils peuvent placer des électrons, de manière temporaire, sur des orbitales d'énergie plus élevée.
Progression des niveaux atomiques vers les bandes d'énergie qu'on retrouve dans les solides. À mesure qu'on ajoute des atomes, les niveaux d'énergie similaire se tassent les uns contre les autres jusqu'à former une bande d'énergie presque continue.
Bon, nous avons maintenant un atome avec des orbitales. J'ai dessiné dans la figure ci-dessus les trois premiers niveaux d'énergie d'un atome. Qu'arrive-t-il à ces niveaux lorsqu'on place deux atomes côte à côte, formant une molécule? Une autre loi de la mécanique quantique dit qu'il est impossible à deux niveaux en contact d'avoir exactement la même énergie. En formant une molécule, les niveaux des deux atomes se réarrangent en paires de niveaux d'énergie très proches l'un de l'autre, mais sans se toucher. Comme pour l'atome seul, on ne peut placer que 2 électrons par niveau. La procédure se répète à mesure qu'on ajoute des atomes jusqu'à former des bandes d'énergie continue séparée par ce qu'on appelle des bandes interdites, où les électrons n'ont pas le droit de se placer.
La différence entre un métal, un isolant et un semiconducteur. Les bandes noires sont les bandes d'énergie permises. Un électron ne peut se trouver qu'à l'intérieur d'une de ces bandes. Dans un métal, la dernière bande est seulement partiellement remplie, les électrons peuvent donc bouger sans problème. Dans un isolant, la bande est remplie à ras-bord. Pas question pour un électron de bouger à moins de recevoir assez d'énergie pour passer à la bande suivante (dite de conduction), ce qui est généralement difficile. Un semiconducteur est un isolant avec une bande interdite d'énergie très étroite, rendant possible le saut d'un électron de la bande pleine à la bande vide.
Nous avons maintenant en place tous les concepts pour expliquer un métal et un isolant. Comme pour les orbitales autour d'un atome, les bandes dépendent de la nature du système, mais pas de la présence ou non des électrons. On les remplit donc, un peu comme une chaudière (un seau, pour les lecteurs européens) : les premiers électrons sont placés au fond de la première bande, les autres par-dessus (en termes d'énergie), jusqu'à ce que la première bande soit remplie. On passe ensuite à la suivante, jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'électron disponible. La nature du matériau dépend alors simplement du moment où on se trouve à court d'électrons.
Dans un métal, le dernier électron placé se trouve dans le milieu d'une bande de niveaux d'énergie. Comme ces niveaux sont extrêmement rapprochés, un électron peut passer d'un à l'autre sans effort, ce qui lui permet de se déplacer à sa guise dans le matériau. On peut donc faire rentrer un électron à un bout et en faire sortir un à l'autre bout sans aucun problème et le matériau conduit l'électricité.
Il arrive souvent, toutefois, que le dernier électron placé remplisse la bande totalement. L'électron suivant devrait être placé beaucoup plus haut en énergie. Que se passe-t-il alors, si on veut faire passer un courant? Comme les électrons sont tous tassés les uns sur les autres dans la bande, ils ne peuvent pas bouger, un peu comme dans un embouteillage. La seule façon de faire bouger un électron est de lui donner beaucoup d'énergie et de l'envoyer dans la bande au-dessus, qui est vide. Tellement d'énergie, en fait, qu'on peut dire que c'est presque impossible : le matériau est isolant.
Reste le dernier cas à considérer : que se passe-t-il si l'énergie qui sépare la bande remplie (dite bande de valence) et la bande vide dans un isolant est très petite? Alors, il devient possible, avec un peu d'efforts de faire circuler les électrons et l'électricité. C'est ce qui se passe dans les semiconducteurs tels que ceux utilisés dans les ordinateurs. L'intérêt de ces matériaux est qu'il est possible de contrôler finement le courant qui passe. Dans les métaux, n'importe quelle poussée envoie une flopée d'électrons courir pour transporter le courant; dans les semiconducteurs, le petit effort est suffisant pour qu'on décide quand il y a du courant ou il n'y en a pas.
Voilà, maintenant que vous savez pourquoi un matériau est conducteur ou isolant, je suis certain que vous ne regarderez plus vos fils électriques de la même façon.
