Le nitrure de bore hexagonal, un cristal à la surprenante lumière ultraviolette
Publié par Adrien le 26/04/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
Le nitrure de bore hexagonal (hBN) émet une lumière ultraviolette avec une intensité inhabituellement élevée pour un semi-conducteur indirect. Cette apparente contradiction a finalement été expliquée par la nature particulière des excitons, dévoilée tant par des mesures quantitatives que par leur modélisation.


Les cristaux lamellaires de nitrure de bore hexagonal émettent dans l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) lorsqu'ils sont excités par un faisceau d'électrons. Les mesures montrent que leur rendement quantique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou...) est proche de 100 %, malgré une bande interdite de type indirect. L'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) (direct) et le diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique. C'est...) (indirect) sont présentés en comparaison.

L'émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) semi-conducteurs repose sur la bande d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) interdite de leurs électrons. Cet intervalle de valeurs d'énergie, qu'ils ne peuvent pas prendre, est délimité par la bande de conduction et la bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins). Ces états de plus haute...). Si les extrémités de ces deux bandes sont alignées sur un même vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à condition...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter...) des électrons, on parle de semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est...) direct. Si elles sont décalées, il est à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) dit indirect. Les paires électrons-trous, issues de l'excitation d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) de la bande de valence vers la bande de conduction, forment des quasi-particules éphémères appelées excitons. Dans les semi-conducteurs directs, ces paires électrons-trous ont une grande chance d'émettre des photons. Ils sont donc naturellement prisés pour la fabrication de diodes électroluminescentes et de lasers. Les semi-conducteurs indirects ne peuvent quant à eux émettre de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) que si un phonon (En physique de la matière condensée, un phonon (du grec ancien φονη / phonê, la voix) désigne un quantum de vibration dans un solide cristallin, c'est-à-dire un « paquet...) - qui correspond à un mode d'excitation du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet),...) cristallin - est aussi émis, ce qui réduit drastiquement leur rendement lumineux, réduisant par là même significativement son potentiel d'applications. Or, le nitrure de bore hexagonal (hBN), un semi-conducteur indirect de structure lamellaire apparentée au graphite, remet en question ces faits établis.

Des chercheurs du Groupe d'étude de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe...) condensée (GEMaC, CNRS/Université Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines), duLaboratoire d'étude des microstructures (LEM, CNRS/ONERA) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) national de sciences des matériaux (NIMS) de Tsukuba, au Japon, ont en effet montré qu'avec un rendement de presque 100 % dans l'ultraviolet, le hBN émet quasi systématiquement et de manière très stable des photons, alors que sa bande interdite est de nature indirecte. Ce rendement a été mesuré par cathodoluminescence, une technique qui mesure l'émission de lumière consécutive à un bombardement par un faisceau d'électrons.

Les calculs théoriques et simulations numériques effectués par les chercheurs ont permis de montrer que ce comportement était dû aux propriétés inhabituelles des excitons. Ceux-ci sont marqués par la très forte énergie qui lie les électrons aux trous (300 meV). De plus, ces calculs ont aussi permis d'établir comment, dans le hBN, la nature directe ou indirecte des excitons permet d'élucider les différences observées entre les photons impliqués en luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui elle est chaude.) et en absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit...), un cas très inhabituel qui faisait débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou opinions...) Ces travaux pourraient aider au développement de l'optoélectronique, du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) et des matériaux 2D. Le hBN représente en effet un excellent substrat et encapsulant pour le graphène. Sa brillance pourrait également être exploitée comme source compacte d'UV, par exemple pour purifier l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Référence

Bright Luminescence from Indirect and Strongly Bound Excitons in h-BN.
Leonard Schué, Lorenzo Sponza, Alexandre Plaud, Hakima Bensalah, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, François Ducastelle, Annick Loiseau et Julien Barjon, Physical Review Letters, le 12 février 2019.
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes ArXiv et HAL.
Page générée en 0.520 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique