Grâce à la microscopie électronique ultrarapide à balayage, les chercheurs dévoilent les propriétés prometteuses de transport des photoporteurs à chaud de l’arséniure de bore cubique.
Dans une étude qui confirme sa promesse en tant que matériau semi-conducteur de prochaine génération, des chercheurs de l’UC Santa Barbara ont directement visualisé les propriétés de transport des photocarriers des monocristaux d’arséniure de bore cubique.
« Nous avons pu visualiser comment la charge se déplace dans notre échantillon », a déclaré Bolin Liao, professeur adjoint d’ingénierie mécanique au College of Engineering. Grâce à la seule installation de microscopie électronique ultrarapide à balayage (SUEM) en service dans une université américaine, lui et son équipe ont pu réaliser des « films » des processus de génération et de transport d’une charge photoexcitée dans ce matériau semi-conducteur III-V relativement peu étudié, dont on a récemment reconnu les extraordinaires propriétés électriques et thermiques. Ce faisant, ils ont découvert une autre propriété bénéfique qui ajoute au potentiel du matériau en tant que prochain grand semi-conducteur.
Leurs recherches, menées en collaboration avec le groupe du professeur de physique Zhifeng Ren de l’université de Houston, spécialisé dans la fabrication de monocristaux d’arséniure de bore cubique de haute qualité, sont publiées dans la revue Matter.
L’arséniure de bore est considéré comme un candidat potentiel au remplacement du silicium, le matériau semi-conducteur de base du monde informatique, en raison de ses performances prometteuses. D’une part, grâce à sa mobilité de charge améliorée par rapport au silicium, il conduit facilement le courant (électrons et leur contrepartie chargée positivement, les « trous »). Cependant, contrairement au silicium, il conduit également la chaleur avec facilité.
« Ce matériau a en fait une conductivité thermique dix fois supérieure à celle du silicium », a déclaré M. Liao. Cette capacité à conduire – et à évacuer – la chaleur est particulièrement importante à mesure que les composants électroniques deviennent plus petits et plus denses, et que la chaleur accumulée menace les performances des appareils, a-t-il expliqué.
« À mesure que les téléphones portables deviennent plus puissants, il faut être capable de dissiper la chaleur, sinon cela pose des problèmes d’efficacité et de sécurité », a-t-il ajouté. « La gestion thermique a été un défi pour un grand nombre de dispositifs microélectroniques. »
Il s’avère que ce qui donne lieu à la conductivité thermique élevée de ce matériau peut également conduire à des propriétés de transport intéressantes des photocarriers, qui sont les charges excitées par la lumière, par exemple, dans une cellule solaire. Si cela est vérifié expérimentalement, cela indiquerait que l’arséniure de bore cubique peut également être un matériau prometteur pour les applications photovoltaïques et de détection de la lumière. La mesure directe du transport des photocarriers dans l’arséniure de bore cubique s’est toutefois révélée difficile en raison de la petite taille des échantillons de haute qualité disponibles.
L’étude de l’équipe de recherche combine deux exploits : Les compétences en matière de croissance cristalline de l’équipe de l’Université de Houston et les prouesses en imagerie de l’UC Santa Barbara. En combinant les capacités du microscope électronique à balayage et des lasers ultrarapides femtosecondes, l’équipe de l’UCSB a construit ce qui est essentiellement une caméra extrêmement rapide et d’une résolution exceptionnelle.
« Les microscopes électroniques ont une très bonne résolution spatiale – ils peuvent résoudre des atomes uniques avec leur résolution spatiale sub-nanométrique – mais ils sont généralement très lents », a déclaré Liao, notant que cela les rend excellents pour capturer des images statiques.
« Avec notre technique, nous couplons cette très haute résolution spatiale avec un laser ultrarapide, qui agit comme un obturateur très rapide, pour une résolution temporelle extrêmement élevée », a poursuivi M. Liao. « Nous parlons d’une picoseconde – un millionième de millionième de seconde. Nous pouvons donc réaliser des films de ces processus microscopiques de transport d’énergie et de charges. » Inventée à l’origine à Caltech, la méthode a été développée et améliorée à l’UCSB à partir de rien et constitue désormais la seule installation SUEM opérationnelle dans une université américaine.
« Ce qui se passe, c’est que nous avons une impulsion de ce laser qui excite l’échantillon », explique Usama Choudhry, étudiant diplômé et chercheur, auteur principal de l’article de Matter. « On peut imaginer que c’est comme faire sonner une cloche ; c’est un bruit fort qui diminue lentement avec le temps ». Pendant qu’ils « sonnent la cloche », explique-t-il, une deuxième impulsion laser est focalisée sur une photocathode (« canon à électrons ») pour générer une courte impulsion d’électrons afin d’imager l’échantillon. Ils balaient ensuite l’impulsion électronique dans le temps pour obtenir une image complète de l’anneau. « En effectuant un grand nombre de ces balayages, on peut obtenir un film sur la façon dont les électrons et les trous sont excités et finissent par revenir à la normale », a-t-il expliqué.
Parmi les choses qu’ils ont observées en excitant leur échantillon et en regardant les électrons revenir à leur état initial, il y a la durée de persistance des électrons « chauds ».
Nous avons constaté, de manière surprenante, que les électrons « chauds » excités par la lumière dans ce matériau peuvent persister beaucoup plus longtemps que dans les semi-conducteurs classiques », a déclaré Liao. Ces porteurs « chauds » peuvent persister pendant plus de 200 picosecondes, une propriété qui est liée à la même caractéristique qui est responsable de la haute conductivité thermique du matériau. Cette capacité à héberger des électrons « chauds » pendant des périodes beaucoup plus longues a des implications importantes.
« Par exemple, lorsque vous excitez les électrons d’une cellule solaire classique avec de la lumière, tous les électrons n’ont pas la même quantité d’énergie », explique M. Choudhry. « Les électrons à haute énergie ont une durée de vie très courte, et les électrons à faible énergie ont une durée de vie très longue. » Lorsqu’il s’agit de récolter l’énergie d’une cellule solaire typique, a-t-il poursuivi, seuls les électrons de faible énergie sont efficacement collectés ; les électrons de haute énergie ont tendance à perdre rapidement leur énergie sous forme de chaleur. En raison de la persistance des porteurs de haute énergie, si ce matériau était utilisé comme cellule solaire, une plus grande quantité d’énergie pourrait être récoltée efficacement.
Comme l’arséniure de bore surpasse le silicium dans trois domaines importants – mobilité des charges, conductivité thermique et temps de transport des photoporteurs chauds – il a le potentiel pour devenir le prochain matériau de pointe du monde électronique. Cependant, il doit encore surmonter d’importants obstacles – la fabrication de cristaux de haute qualité en grandes quantités – avant de pouvoir concurrencer le silicium, dont les énormes quantités peuvent être fabriquées à un coût relativement bas et avec une grande qualité. Mais Liao ne voit pas trop de problème.
« Le silicium est aujourd’hui couramment disponible grâce à des années d’investissement ; les gens ont commencé à développer le silicium dans les années 1930 et 1940 », a-t-il déclaré. « Je pense que lorsque les gens reconnaîtront le potentiel de ce matériau, ils s’efforceront de trouver des moyens de le cultiver et de l’utiliser. L’UCSB est en fait particulièrement bien placée pour relever ce défi grâce à sa forte expertise dans le développement des semi-conducteurs. »
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