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Émission d’électrons : un peu d’histoire

|J. J. Thomson et son équipement

À la fin du XIXe
siècle, les physiciens se sont beaucoup intéressés aux rayons cathodiques produits par des tubes de verre sous vide. La méthode expérimentale utilisée dans ce cadre était appelée tube à rayons cathodiques et on ne connaissait pas bien la nature physique de ces rayons avant 1897, date à laquelle J. J. Thomson observa que les rayons cathodiques étaient constitués de très petites particules, chargées négativement, qui formaient une partie fondamentale de chaque atome. Il venait de découvrir l’électron ! En 1906, il reçut le Prix Nobel pour cette découverte majeure. La source d’électrons d’un tube cathodique était constituée d'un simple filament placé dans un tube sous vide, comme dans une ampoule. Le développement des différents systèmes électroniques utilisant des tubes cathodiques a eu un impact très important sur la société, au début du XXe siècle. Le tube cathodique était non seulement un élément indispensable au développement du transistor radio, mais aussi aux premiers équipements téléphoniques, à la télévision et aux ordinateurs. La complexité croissante de ces appareils s’est très rapidement heurtée à deux obstacles majeurs : les composants d’un tube cathodique prenaient beaucoup de place et manquaient de fiabilité. Ce n’est que dans les années cinquante que les tubes cathodiques sont devenus obsolètes, après une révolution technologique : la découverte du transistor au silicium. Les tubes cathodiques n’en restent pas moins les ancêtres de nos téléviseurs actuels.
De l’ancien tube cathodique à l’écran plat
Dans un téléviseur à tube cathodique, le flux d’électrons est concentré sur un faisceau net à l’aide de lentilles électromagnétiques. Le faisceau d’électrons est alors accéléré, dévié et émis dans le vide du tube pour venir finalement frapper l'écran à l'opposé. Cet écran est recouvert de phosphore, qui émet de la lumière lorsqu’il est touché par le faisceau. Un écran de télévision couleur comporte trois types de phosphores, constitués de points émettant une lumière rouge, verte ou bleue (RVB), qui sont chacun éclairés par un faisceau différent et indépendant. Cela permet de produire un large spectre de couleurs par superposition des trois couleurs primaires RVB. Le faisceau d’électrons balaye l’écran environ 30 fois par seconde, ce qui permet d'obtenir une image en mouvement. Pour que le faisceau de rayons défléchi couvre la totalité de l’écran, la source doit etre montée « à distance ». Plus la zone d’affichage est étendue, plus le tube sous vide sera profond. Voilà pourquoi les écrans de télévision traditionnels sont si encombrants !
Au cours des dernières années, l’avènement du numérique a entraîné une hausse de la demande d'écrans plus grands et de plus haute résolution. Les écrans classiques à tubes cathodiques présentant des inconvénients liés à leur taille et à leur poids, de nouvelles technologies ont été mises au point, notamment les écrans à cristaux liquides (LCD) et les écrans plasma. La technologie LCD permet certes d’obtenir des écrans plats, mais elle a aussi des inconvénients, notamment une qualité de l’image insuffisante, un champ de vision réduit et un coût élevé. La solution a été apportée en partie par les écrans LCD à matrice active et par les écrans plasma qui disposent d'une vitesse de régénération plus élevée et d’une meilleure qualité d’image.
Nanotubes de carbone : nouvelles sources d’électrons
Les atomes de carbone peuvent etre disposés en structures géométriques régulières. Mais la nature n’autorise pas une infinité de possibilités. Le carbone solide cristallise en graphite, qui est utilisé couramment dans les crayons ou présent dans le diamant. Mais au début des années 90, H. W. Kroto a fait une découverte exceptionnelle. Il a découvert une troisième structure carbonée, le fullerène et a reçu le Prix Nobel de chimie en 1996. Le fullerène le plus connu est le buckyball, qui est constitué de 60 atomes de carbone disposés en sphère comme un ballon de football (pour les spécialistes, un icosahédron tronqué !). Le nanotube de carbone est un type de fullerène, découvert en 1991 par l'entreprise NEC au Japon. Un nanotube est constitué de millions d’atomes de carbone disposés en structure hexagonale plate formant un mince cylindre de 10 nm de diamètre et de plusieurs microns de longueur. De nos jours, il est possible de fabriquer des nanotubes de manière contrôlée.
Les nanotubes de carbone font l'objet de recherches scientifiques intenses dans le monde entier, en raison de leurs propriétés électriques exceptionnelles et prometteuses. Leur comportement électrique en fait des matériaux particulièrement adaptés à une nouvelle génération d’écrans plats appelés écrans à émission par effet de champ (Field Émission Display ou FED), dont il est question dans un article scientifique du bulletin d’information MaNEP no 4 (PDF, 328 ko)
. Les écrans FED fonctionnent comme les tubes cathodiques classiques, à ceci près que chaque pixel est éclairé par sa propre source d'électrons, qui est constituée de centaines et meme de milliers de nanotubes de carbone bien alignés. Le tube cathodique émet des électrons lorsqu’il est exposé à un champ électrique, ce qui permet de fabriquer des écrans de l'épaisseur d'une feuille de papier ! Samsung a été le premier à démonter qu’il était possible de fabriquer des écrans plats aussi lumineux que des tubes cathodiques et aussi plats que des écrans LCD. Il y a deux ans, la société a meme promis un écran de télévision de 32 pouces pour Noël 20...

|Émission d’électrons sur l’écran phosphoré d’un tube cathodique unique

Les nanotubes de carbone offrent également de nombreuses possibilités d'applications de haute technologie, telles que les nouvelles sources de rayons X, les nouvelles mémoires informatiques non volatiles ou les transistors monomoléculaires. Les nanotubes sont, par ailleurs, parfaitement adaptés aux réservoirs de stockage de l'hydrogène intégrés aux piles à combustible, qui pourraient alimenter les automobiles du futur. Enfin, en raison de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles, des feuillets de nanotubes pourraient servir de nouveaux matériaux pour la construction d’avions ou de voitures, plus légers et résistants, et meme pour des muscles artificiels.