CRISTAUX Synthèse des cristaux
Les cristaux de synthèse aux applications spécifiques
Dans ce chapitre, seule la synthèse de cristaux qui possèdent des propriétés physiques caractéristiques des technologies modernes sera abordée : il s'agit des cristaux piézoélectriques, tels le quartz et la berlinite, des cristaux semiconducteurs, tels le silicium et le germanium, et des cristaux utilisés pour les besoins de l'optique et des lasers.
Les cristaux piézoélectriques
La piézoélectricité est un phénomène que présentent certains cristaux : soumis à des contraintes mécaniques, ils acquièrent une polarisation électrique dans leur masse et des charges électriques à leur surface (effet direct) ; soumis à un champ électrique, ils se déforment (effet inverse). Les applications de ces cristaux sont nombreuses : capteurs de pression, de force ou d'accélération ; transducteurs électroacoustiques ; oscillateurs et résonateurs piézoélectriques en électronique (générateurs de fréquence, étalons de fréquence, filtres, etc.) ; générateurs et récepteurs d'ultrasons, horlogerie, etc.
Le principal minéral utilisé est le quartz. Très abondant, il a cependant l'inconvénient de présenter de nombreux « défauts » à l'état naturel : dislocations dans le réseau cristallin, bandes de croissance, inclusions, transitions de structure selon la température, etc. Il est donc nécessaire de le synthétiser. Selon les conditions de la synthèse et les caractéristiques géométriques de la croissance et de la taille du cristal, on obtient diverses fréquences mécaniques propres s'étendant de 1 kHz à plusieurs MHz (1 MHz correspond à un million de pulsations à la seconde) et des microdéformations qui atteignent une précision de l'ordre du nanomètre (10—9 mètre).
La seule méthode possible d'obtention du quartz est la croissance hydrothermale, à cause de son insolubilité dans les conditions naturelles et de sa réactivité avec les sels. La première synthèse certaine date de 1851, lorsque le minéralogiste français Hureau de Sénarmont obtint de petits cristaux sous la forme de prismes allongés. Pour arriver à ce résultat, il délaya de la silice gélatineuse dans de l'acide chlorhydrique dilué, plaça le mélange dans un tube de verre scellé, qu'il enferma hermétiquement dans le fût d'un canon de fusil chauffé à 350 0C.
La première cristallisation à partir d'un germe date de 1898 et est l'œuvre de l'Italien G. Spezia, mais, curieusement, le gradient de température était inverse de celui qui est utilisé dans les autoclaves actuels : la région chaude (environ 350 0C) était placée en haut avec le corps mère (du quartz broyé) et la région froide (environ 200 0C) en bas. Pour cette raison, la croissance de ces cristaux était lente et demandait environ 200 jours.
Aujourd'hui, les autoclaves contiennent principalement une solution de soude (NaOH) et de carbonate de soude (Na2CO3) ; le corps mère est situé en bas (la partie la plus chaude, environ 400 0C) et le tout est soumis à une pression de 150 MPa. Les vitesses de croissance cristalline sont de l'ordre d'un millimètre par jour. Pour cela, les germes doivent être taillés en lames perpendiculaires à l'axe c du quartz, direction de plus grande croissance cristalline. La taille influe aussi sur la présence ou l'absence de défauts, notamment de dislocations dans le réseau. Aujourd'hui, grâce à d'importants efforts de recherche, on obtient des cristaux de quartz quasi parfaits. Au début des années 2000, la production mondiale de quartz est de l'ordre de 4 000 tonnes par an. Il faut y ajouter la production, marginale, de quartz colorés, comme l'améthyste de synthèse, destinés à la joaillerie. Le premier quartz bleu cobaltifère artificiel date de 1969, et les premières améthystes et citrines de synthèse de 1975.[...]
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Écrit par
- Yves GAUTIER
: docteur en sciences de la Terre, concepteur de la collection
La Science au présent à la demande et sous la direction d'Encyclopædia Universalis, rédacteur en chef de 1997 à 2015
Classification
Médias
Procédé Verneuil
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