Silicium
Le silicium est le matériau sur lequel repose toute l'électronique — et dans la neutrinovoltaïque il forme l'une des deux moitiés de l'empilement, dont l'autre moitié est le graphène.
Le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre
Après l'oxygène, le silicium est, avec environ 28 pour cent, le constituant le plus fréquent de la croûte terrestre. Il se trouve dans le sable ordinaire, dans le quartz, dans presque toutes les roches.
À l'état pur, il n'apparaît toutefois jamais dans la nature. Le chemin qui va du sable au cristal semi-conducteur est l'un des plus coûteux de l'industrie : réduction au four à arc électrique, purification par le trichlorosilane, enfin le tirage d'un monocristal selon le procédé Czochralski. Pour la microélectronique, on exige une pureté de 99,9999999 pour cent — sur un milliard d'atomes de silicium, il y a tout au plus un atome étranger.
Pourquoi précisément le silicium
La raison en est la bande interdite. Dans un solide, les électrons ne peuvent prendre que certaines énergies ; entre la bande de valence remplie et la bande de conduction vide s'ouvre, chez un semi-conducteur, une lacune. Pour le silicium, elle est de 1,12 électronvolt.
Cette valeur est heureusement choisie — non par les hommes, mais par la nature. Elle est assez grande pour que l'agitation thermique à température ambiante ne fasse pas constamment passer des électrons de l'autre côté, et assez petite pour que l'on puisse le faire de façon ciblée : par la lumière, par un champ électrique, par des atomes étrangers introduits.
C'est exactement là-dessus que reposent le transistor, la cellule solaire et le capteur d'image.
Dopage
Si l'on introduit des atomes étrangers dans le réseau cristallin, le comportement change fondamentalement.
Le phosphore possède un électron externe de plus que le silicium. L'électron excédentaire ne trouve pas de partenaire de liaison et devient mobile — on parle de dopage n.
Le bore en possède un de moins. Il se forme une lacune qui se comporte comme une charge positive — dopage p.
Si l'on réunit les deux domaines, il naît une jonction p-n, et celle-ci ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Cette rectification est le cœur de toute technique des semi-conducteurs — et c'est aussi le point auquel s'accroche la neutrinovoltaïque.
Le silicium dans la neutrinovoltaïque
Le brevet WO2016142056A1 décrit un film sur lequel sont déposés alternativement du graphène et du silicium — dix à vingt couches, en particulier douze. La proportion de silicium est indiquée entre 10 et 80 pour cent, tout particulièrement 25 pour cent. La taille des particules doit se situer entre 5 et 500 nanomètres.
Cette indication de taille est la partie intéressante. Le silicium à l'échelle nanométrique se comporte autrement qu'un cristal massif : la bande interdite se déplace, le rapport de la surface au volume devient très grand, et les interfaces gagnent en importance par rapport à l'intérieur.
Le rôle qui revient au silicium dans la présentation du groupe est celui du milieu conducteur : il recueille le mouvement engendré dans le réseau de graphène et le transmet au matériau support. Le graphène fournit la structure, le silicium le chemin pour la charge.
La différence avec la cellule solaire
Une cellule solaire utilise elle aussi le silicium, mais autrement. Là, un photon incident fait passer un électron par-dessus la bande interdite ; sans lumière, rien ne se produit. La cellule est une surface, et sa production croît avec cette surface.
L'équation maîtresse de la neutrinovoltaïque intègre en revanche sur le volume. La production doit donc croître avec le nombre de couches, et non avec la surface éclairée. Cela est exposé plus en détail sur la page Le photovoltaïque en comparaison.
Autres usages
Le silicium est en outre le matériau de nombreux détecteurs de neutrinos. Les détecteurs à semi-conducteur en silicium ou en germanium de très haute pureté mesurent les énergies très précisément — ils sont derrière la recherche de la double désintégration bêta sans neutrino et derrière les petits détecteurs pour la diffusion cohérente sur les noyaux atomiques.
Le même élément apparaît ainsi des deux côtés de ce wiki : comme outil pour mesurer les neutrinos, et comme matériau de construction dans la tentative d'en tirer de l'énergie.
Termes apparentés
- Graphène — l'autre moitié de l'empilement
- Graphène dopé
- Brevet WO2016142056A1 — les quantités indiquées
- Le photovoltaïque en comparaison
Sources
- WIPO : WO 2016/142056 A1, revendications relatives à la composition et à la taille des particules.
- Neutrino® Energy Group : Neutrinovoltaic, neutrino-energy.com.