Un défaut ou un atome étranger dans un matériau qui peut modifier ses propriétés physiques, telles que la conductivité électrique.Une impureté est un atome étranger ou un défaut introduit délibérément ou accidentellement dans le réseau cristallin d'un matériau. Même à des concentrations de quelques parties par million, les impuretés peuvent modifier considérablement les propriétés électriques, optiques, magnétiques et mécaniques d'un matériau. Dans les semi-conducteurs, les impuretés sont à la base de l'électronique moderne : l'ajout de phosphore au silicium crée un matériau de type n avec des électrons libres supplémentaires, tandis que le bore crée un matériau de type p avec des « trous » d'électrons qui agissent comme des porteurs de charge positifs. Le placement contrôlé des impuretés est ce qui permet aux transistors, aux diodes et aux circuits intégrés de fonctionner.
L'étude systématique des impuretés dans les solides a commencé au début du XXe siècle, avec le développement de la mécanique quantique. La théorie des bandes des solides d'Alan Wilson, publiée en 1931, incorporait explicitement les niveaux d'impuretés, expliquant pourquoi les semi-conducteurs dopés se comportent différemment des cristaux purs. L'exploitation pratique des impuretés a décollé en 1947 avec l'invention du transistor aux laboratoires Bell.
Les impuretés perturbent la périodicité parfaite d'un réseau cristallin. Cette perturbation crée des états d'énergie localisés dans la bande interdite du matériau — la plage d'énergie où les électrons ne peuvent normalement pas exister. Ces états peuvent donner ou accepter des électrons, modifiant la conductivité du matériau. Dans les supraconducteurs, les impuretés peuvent agir comme des centres d'ancrage qui maintiennent les lignes de flux magnétique en place, permettant des courants plus élevés sans résistance. Dans les systèmes quantiques, une impureté dans une « mer quantique » d'électrons peut devenir un polaron — une quasiparticule où l'impureté traîne un nuage de distorsion du réseau en se déplaçant, gagnant ainsi de la masse et changeant sa mobilité.
Le dopage par impuretés est la technologie de base de tous les dispositifs semi-conducteurs, des puces informatiques aux cellules solaires. En astrophysique, les impuretés dans le plasma stellaire affectent les processus de cristallisation dans les naines blanches, influençant leurs taux de refroidissement et leurs propriétés observables.
Dans un cristal de silicium, l'ajout d'un seul atome de phosphore pour un milliard d'atomes de silicium augmente la conductivité électrique d'un facteur d'environ mille.
