Naissance d'un cristal

Beaucoup d'entre nous se souviennent des expériences faites à l'école ou avec un coffret de petit chimiste, et savent donc qu'il n'est pas difficile de fabriquer des cristaux. Ces cristallites de benzophénone, par exemple, grossissent en quelques minutes à partir de minuscules particules et forment finalement des cristaux à la fois beaux et intéressants.

En revanche, la croissance de cristaux artificiels ayant des propriétés optoélectroniques, ou pour une utilisation dans un laser, est toujours un processus long et difficile, qui dure plusieurs semaines et doit prendre en compte de nombreux facteurs.
On introduit ici de la poudre de phosphate de plomb dans un creuset. Ce sera la matière première pour la fabrication d'un nouveau cristal.
Le Professeur Mühlberg, de l'Institut de cristallographie de l'université de Cologne, place la poudre dans un four pour la faire fondre. Il existe plusieurs procédés pour fabriquer des cristaux. À Cologne, les chercheurs travaillent principalement à partir de phases liquides, c'est-à-dire de solutions ou de matières fondues.
On souhaite naturellement qu'en refroidissant, la matière première fondue ne forme qu'un seul et gros cristal, au lieu de nombreux petits. Pour cela, on ajoute un germe à la matière fondue. Ce germe va déterminer la structure cristalline et provoquer la suite de la croissance, puisque celle-ci va s'effectuer à sa surface, couche d'atomes après couche d'atomes.

On porte ensuite la température à près de 900 degrés.Pour que la technique puisse réussir, la température doit être juste inférieure au point de fusion. Si elle est trop élevée, le germe fond également. Si elle est trop faible, de nombreux autres cristaux indésirables apparaissent à côté du germe.
Le germe est lentement extrait de la matière fondue en entretenant une rotation contrôlée. Cette rotation précise, ainsi que la régulation exacte de la chaleur évacuée par le germe et la tige qui sert de support sont essentielles pour obtenir une croissance régulière du cristal de phosphate de plomb, et pour qu'il prenne la forme souhaitée.

Au bout de 2 ou 3 jours, on peut retirer le cristal de phosphate de plomb et en contrôler la qualité. Le moindre écart dans les conditions de température, le moindre défaut d'homogénéité dans la concentration de la matière fondue peut faire apparaître des défauts, des inclusions ou des colorations à l'intérieur du cristal.

Les laboratoires de la société Wacker-Siltronic Werke, en Bavière, maîtrisent parfaitement cet art. C'est à partir des cristaux de silicium fabriqués ici que l'on découpe les "galettes", ces tranches de silicium pur qui servent à fabriquer les puces informatiques modernes.
Comme à l'Institut de cristallographie de Cologne, le procédé de fabrication employé ici à grande échelle utilise un cristal germinateur. Le silicium, extrait de sable quartzeux, est d'abord chauffé dans un creuset.

La matière contenue dans le creuset atteint une température de 1 420 degrés. Le germe tourne à la vitesse de 20 tours par minute. On le retire lentement, ce qui permet à la matière fondue de se solidifier à son contact en formant un monocristal.Le silicium, qui présente la même architecture que le diamant, forme normalement des octaèdres. La rotation l'oblige pourtant à prendre une forme cylindrique.Les cristaux de silicium grossissent très vite, près d'un millimètre par minute. Leur structure présente une régularité et une pureté chimique de loin supérieures à ce que l'on pourrait trouver dans la nature. Car la production des galettes exige une perfection extrême, alors que ce cristal mesure plus de 20 cm de diamètre.