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Chapitre 8 : Substitutions dans les solides. Dopage
Exercice 8.5. Substitutions dans l’oxyde supraconducteur
Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ
Les propriétés de l’oxyde supraconducteur Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ (Bi-2212)
sont modifiées lorsque l’on substitue d’une part le bismuth (III) par le
plomb (II), et d’autre part, le calcium (II) par l’yttrium (III). Écrire, pour
chaque substitution, les deux possibilités d’incorporation en précisant dans
quel cas on obtient un véritable dopage, c’est-à-dire une modification des propriétés électroniques.
Dans les deux cas, la substitution par un élément de valence différente
conduit soit à un dopage, c’est-à-dire une modification des propriétés électroniques, soit à une modification de la teneur en oxygène.
a) Substitution du bismuth (III) par le plomb (II) sous forme de PbO
Les deux réactions envisageables sont les suivantes, en considérant uniquement le sous-réseau concerné Bi 2 O 3 :
2 PbO + 1/2 O 2
Bi2O3
− −−− → 2 Pb
Bi + 3 O
×
O + 2 h
•
et
2 PbO
Bi2O3
− −−− → 2 Pb
Bi + 2 O
×
O + V
••
O
Dans le premier cas, c’est un véritable dopage avec formation de trous
électroniques, tandis que dans le deuxième cas, c’est seulement une perte
d’oxygène.
b) Substitution du calcium (II) par l’yttrium (III) sous forme d’Y 2 O 3
Comme dans le cas précédent, les deux réactions potentielles sont les
suivantes, en considérant uniquement le sous-réseau CaO :
Y 2 O 3
2 CaO
− −−− → 2 Y
•
Ca + 2O
×
O + 2e
− + 1/2 O 2
et
Y 2 O 3
2 CaO
− −−− → 2 Y
•
Ca + 2 O
×
O + O
i
Dans le premier cas, c’est un dopage électronique avec perte d’oxygène et
libération d’électrons, tandis que dans le deuxième cas, c’est seulement
une insertion d’oxygène.
En fait, ces oxydes supraconducteurs ne sont pas stœchiométriques et
contiennent un excès d’oxygène compensé par des trous localisés sur les
atomes de cuivre, si bien que la première réaction devrait s’écrire :
Y 2 O 3 + 2h
• 2CaO
−→ 2Y
•
Ca + 2O
×
O + 1/2O 2
Chapitre 8 : Substitutions dans les solides. Dopage
Exercice 8.5. Substitutions dans l’oxyde supraconducteur
Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ
Les propriétés de l’oxyde supraconducteur Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ (Bi-2212)
sont modifiées lorsque l’on substitue d’une part le bismuth (III) par le
plomb (II), et d’autre part, le calcium (II) par l’yttrium (III). Écrire, pour
chaque substitution, les deux possibilités d’incorporation en précisant dans
quel cas on obtient un véritable dopage, c’est-à-dire une modification des propriétés électroniques.
Dans les deux cas, la substitution par un élément de valence différente
conduit soit à un dopage, c’est-à-dire une modification des propriétés électroniques, soit à une modification de la teneur en oxygène.
a) Substitution du bismuth (III) par le plomb (II) sous forme de PbO
Les deux réactions envisageables sont les suivantes, en considérant uniquement le sous-réseau concerné Bi 2 O 3 :
2 PbO + 1/2 O 2
Bi2O3
− −−− → 2 Pb
Bi + 3 O
×
O + 2 h
•
et
2 PbO
Bi2O3
− −−− → 2 Pb
Bi + 2 O
×
O + V
••
O
Dans le premier cas, c’est un véritable dopage avec formation de trous
électroniques, tandis que dans le deuxième cas, c’est seulement une perte
d’oxygène.
b) Substitution du calcium (II) par l’yttrium (III) sous forme d’Y 2 O 3
Comme dans le cas précédent, les deux réactions potentielles sont les
suivantes, en considérant uniquement le sous-réseau CaO :
Y 2 O 3
2 CaO
− −−− → 2 Y
•
Ca + 2O
×
O + 2e
− + 1/2 O 2
et
Y 2 O 3
2 CaO
− −−− → 2 Y
•
Ca + 2 O
×
O + O
i
Dans le premier cas, c’est un dopage électronique avec perte d’oxygène et
libération d’électrons, tandis que dans le deuxième cas, c’est seulement
une insertion d’oxygène.
En fait, ces oxydes supraconducteurs ne sont pas stœchiométriques et
contiennent un excès d’oxygène compensé par des trous localisés sur les
atomes de cuivre, si bien que la première réaction devrait s’écrire :
Y 2 O 3 + 2h
• 2CaO
−→ 2Y
•
Ca + 2O
×
O + 1/2O 2