Le tellurure de cadmium (CdTe) est un matériau cristallin à structure cubique (de groupe d'espace F43m) composé de cadmium et de tellure.
Il s’agit d’un semi-conducteur de la famille des II-VI. Le tellurure de cadmium est disponible commercialement sous forme de poudre ou sous forme de cristaux.
Usages Le CdTe est utilisé pour de nombreuses applications, dont : cellules photovoltaïques en couches minces (construites sur le principe de la PIN) ; développé depuis les années 1960, ce type de cellule présente des avantages (prix inférieur, flexibilité) et des inconvénients (utilisation de matériaux rares et à la toxicité potentiellement élevée) par rapport aux cellules à base de siliciumLes producteurs de modules photovoltaïques à couches minces baissent leurs coûts de production et deviennent plus concurrentiels, Claire Vaille, bulletins électroniques. ;
optique (pour ses propriétés dans l'infrarouge notamment) ; les systèmes de détection infrarouge (HgCdTe) ; la détection de rayonnements ionisants (CdTe:Cl, CdZnTe) (spectrométrie et imagerie des rayons X et gamma) ; modulateurs électro-optiques ; « étiquettes moléculaires » en biologie médicale : des nanoparticules fluorescentes constituées de semi-conducteurs à base de cadmium brillent lorsqu'elles sont frappées par une certaine lumière. Elles sont en train de devenir un outil standard de laboratoire pour étudier le comportement moléculaire de cellules vivantes ou marquer certaines cellules.La luminosité de leur fluorescence, leur stabilité et la facilité avec laquelle on peut les modifier chimiquement ont aussi incité les chercheurs à explorer leur usage comme agents d'imagerie médicale et pour désigner des tumeurs. Par exemple, un nanopolymère de tellurure de cadmium recouvert de sulfure de zinc (CdTe/ZnS) sur lequel sont greffées des copies d’une petite protéine se liant à des protéines caractéristiques des nouveaux vaisseaux sanguins qui alimentent les tumeurs (vaisseaux qui se forment en réponse aux signaux des cellules tumorales) pourraient servir à détecter plus précocement certaines tumeurs et cancers. Ils pourraient aussi permettre aux chirurgiens de bien mieux distinguer (en fluorescence) les bords de la tumeur lors de la chirurgie (délimitation effective environ après injection chez la souris, en laboratoire)Targeted Quantum Dots Image Tumor Blood Supply ; Nanotech News 2006/05/01 ; Stanford University Center of Cancer Nanotechnology Excellence (CCNE). Reste à vérifier que ces nanopolymères n'ont pas d'effets dans d’autres parties de l'organisme, car le cadmium qu'il contient est a priori un puissant toxique à échelle nanométrique ; les chercheurs les ont modifiés en les recouvrant d’autres molécules biocompatibles, mais que deviennent ces molécules dans l’organisme ? D’après des travaux récents, les chimistes devraient mieux s'assurer que ces « revêtements » ne se dégradent pas ni ne puissent libérer leur cadmium dans l’organisme, surtout après qu’ils ont été excrétés par le corps. Plusieurs études ont montré, par exemple, que les nanoparticules persistent chez la souris durant au moins quatre mois après l'administration... Des produits de ce type pourraient à l’avenir s’ajouter aux nombreux résidus de médicament et de produits à usage médicaux excrétés par les patients traités ou testés dans les hôpitaux (hormones, radiotraceurs, antibiotiques, molécules anticancéreuses).
Le CdTe et la production de cellules photovoltaïques thumb|left|Panneau photovoltaïque en tellurure de cadmium. Depuis quelques années, pour produire un panneau photovoltaïque, un nombre croissant d'entreprises recourent au tellurure de cadmium en tant que composé semi-conducteur, à la place du silicium. C'est en effet un produit très stable. Il accroit le rendement des panneaux, tout en diminuant leur coût, grâce à une meilleure capacité d'absorption de la lumière (maintien d’une bonne performance en cas de faible luminosité, le matin et en soirée notamment) et à un coefficient thermique bas.
Une couche d'absorption en tellurure de cadmium est ainsi placée sur un support de verre puis couverte par une autre plaque de verre qui scelle hermétiquement le panneau. Les modes de production et d'utilisation du CdTe ont permis de réduire l'empreinte carbone des techniques de production de cellules et panneaux photovoltaïques. Dans le domaine des panneaux photovoltaïques, c'est la technique qui a l'empreinte carbone la plus basse pour le cycle de vieFthenakis, V.M, Kim, H.C, Alsema, E., Emissions from Photovoltaic Life Cycles, Environmental Science & Technology, 2008 ; 42:2168-2174.. Ce produit, en tant que dérivé du cadmium, est toxique. En cas d'incendie et de fusion des panneaux, grâce au fait que le film de tellurure de cadmium est placé entre deux couches de verre, grâce à une pression de vapeur très basse, et grâce à des points d'ébullition et de fusion élevés, les molécules toxiques risquent peu de contaminer l'environnement, et restent piégées dans la matrice de verre fonduNote intitulée Technologie photovoltaïque au tellure de cadmium, First Solar, Dec 2009 , mais le tellurure de cadmium, en raison d'une toxicité intrinsèque nécessite néanmoins - en amont et aval de la filière - d'être produit, utilisé et recyclé avec précaution.
Il est récupérable et recyclable, les filières de récupération et de recyclage apparaissent dans les années 2000, avec par exemple celle de First Solar qui annonçait dès 2008 recycler 90 % (en masse) des déchets de fabrication des modules, mais aussi les modules retournés (sous garantie ou en fin de vie), ceci via un programme complet et pré-financé.
Propriétés physiques Le CdTe présente plusieurs propriétés industriellement intéressantes : sa constante de réseau est de à ; cette constante (souvent notée a) décrit la distance entre atomes dans les réseaux cristallins. C'est un indicateur de compatibilité structurelle entre différents matériaux ; son module de Young est de , ce qui signifie qu’il présente une bonne élasticité par rapport au silicium notamment ; son coefficient de Poisson est de 0,41 ; c’est le coefficient qui caractérise la contraction de la matière perpendiculairement à la direction de l'effort appliqué.
Propriétés magnétiques Le CdTe intrinsèque est un semi-conducteur non magnétique. Néanmoins, il peut le devenir en le dopant avec des métaux de transition ou des terres rares (éléments de forte corrélation) et même parfois par des éléments non magnétiques tel que le carbone ou l'azote. Plusieurs études ont été réalisées dans ce sens utilisant différentes techniques dont la méthode ab-initio ou la méthode de Monte Carlo.
Propriétés thermiques Sa conductivité thermique, qui représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par une unité de temps sous un gradient de température de 1 degré Celsius par mètre, est de à . Sa capacité thermique est de à . Son coefficient de dilatation thermique (qui décrit sa possibilité d'absorber ou de restituer de l'énergie par échange thermique au cours d'une transformation pendant laquelle sa température varie) est de à 293 KPalmer, D W (March 2008). Properties of II-VI Compound Semiconductors. Semiconductors-Information.
Propriétés opto-électroniques
Le CdTe est transparent à certaines longueurs d’onde (dans l’infrarougeBube, R. H. (1955). "Temperature dependence of the width of the band gap in several photoconductors". Physical Review 98: 431–3.) et devient fluorescent à de longueur d’onde. Si la taille des cristaux de CdTe est réduite à quelques nanomètres (ou moins), ses propriétés de boîte quantique, les pics de fluorescence passent dans le domaine du visible à l'ultraviolet.
Propriétés chimiques Le CdTe présente une très faible solubilité dans l'eau, mais sous forme de nanoparticule, il semble plus facilement produire un mélange homogène dans l'eau que d'autres nanoparticules testées. Il peut être attaqué (ou gravé) par de nombreux acides, dont les acides chlorhydrique et bromhydrique, formant du tellurure d'hydrogène (qui est un gaz toxique).
Il peut être produit en nanocristaux susceptibles de poser des problèmes de santé environnementale.
Toxicité Tous les composés du cadmium sont a priori supposés toxiques. Ils peuvent l’être plus ou moins que le cadmium seul, selon les propriétés de la molécule, et selon le contexte.
Les données sur la toxicité du CdTe manquant, les autorités et organismes chargés de la réglementation dans les différents pays où ils existent se sont d’abord référés à la toxicité du cadmium (Cd) comme approximation car la toxicité spécifique du tellure est restée longtemps mal connue, jusqu’à ce qu’un usage accru de ce produit, pour les panneaux solaires notamment, fasse s’y intéresser les toxicologues (d’autant que c’est l’un des nombreux produits qui pourraient aussi bientôt être produits sous forme de nanoparticules).
Récemment une étude a comparé la toxicité du CdTe à celle du cadmium (chez le rat, en suivant une méthode standardisée et recommandée par l’OCDE et l’Environmental Protection Agency) pour mesurer les effets d’un produit sur la santé. La concentration létale de CdTe trouvée était de , avec une très faible variabilité entre les sexes. La dose létale moyenne attendue était supérieure à . Ces résultats, selon leurs auteurs, montrent clairement que CdTe est moins toxique que le cadmium, au moins en termes d'exposition aiguëJoseph Zayed & Suzanne Philippe ; Acute Oral and Inhalation Toxicities in Rats With Cadmium Telluride ; International Journal of Toxicology. 2009/08.
Le tellurure de cadmium est toxique s'il est injecté ou ingéré (notamment à cause des acides stomacaux qui libèrent le cadmium en le rendant probablement plus bioassimilable, et du tellurure d’hydrogène (qui ne semble pas toxiqueAm. Conf. Of Gov. Ind. Hygienists ACGIH 2000 Edition, repris par une fiche d’information rédigée par l’E.I.G.A. (Association Européenne des Gaz Industriels)] sur le tellure d’hydrogène) ou s’il est inhalé sous forme de poussières fines ou de nanoparticules pures (il est alors clairement cytotoxique), ou s’il n'est pas manipulé correctement (c'est-à-dire sans gants appropriés et autres mesures de sécurité).
De nouveaux problèmes pourraient être posés, s’il advenait que du tellurure de cadmium soit diffusé dans l’environnement sous forme non inertée de micropoudre ou de nanoparticules. En effet, aux échelles nanométriques, la toxicité ou l’écotoxicité d’un matériau peut souvent être très exacerbée. (Cela semble être le cas pour de nombreux métaux et d’autres molécules ne posant pas de problème sous leur forme « massive », dont l’or et l’argent par exemple). Le CdTe pourrait alors être un polluant potentiel de l’air, mais aussi de l’eau où en laboratoire et sous forme de nanopoudre (particules d’environ 5 nanomètres) longuement mixée dans l’eau, il adopte un comportement différent d’autres métaux ou alliages testésGagné et al. Aquatic Nanotoxicolgy. Research perspectives. Environnement Canada.
Une fois correctement inerté (dans une matrice ou encapsulé ou couvert d’un revêtement moléculaire s’il s’agit de nanoparticules) et tant qu’il y reste, le CdTe utilisé dans les procédés de fabrication ou médicauxChem Biol. 2005 Nov;12(11):1227-34. Lovrić J, Cho SJ, Winnik FM, Maysinger D. ; Unmodified cadmium telluride quantum dots induce reactive oxygen species formation leading to multiple organelle damage and cell death ; est supposé inoffensif. Cependant, on ignore ce qu’il devient à moyen et long terme dans l’environnement s’il y est perdu. Et en amont des filières de fabrication, quand il est utilisé sous forme de micro-cristaux, poudre ou nanoparticules, il doit être manipulé avec toutes les précautions possibles.