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L’énigme de la nature du gap optique du nitrure de bore hexagonal a été enfin résolue expérimentalement
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L’énigme de la nature du gap optique du nitrure de bore hexagonal a été enfin résolue expérimentalement
L’avènement du graphène, qui a conduit au prix Nobel de physique 2010, a lancé l’engouement actuel pour les semi-conducteurs en feuillets et les hétéro-structures de Van der Waals. Les nitrures de symétrie wurtzite permettent de réaliser industriellement les diodes électroluminescentes bleues et blanches, dont l’impact sociétal a pour partie contribué à l’attribution du prix Nobel de physique 2014. Le nitrure de bore hexagonal H-BN est le matériau de choix pour jeter une passerelle entre ces deux grandes classes de matériaux. Concevoir puis réaliser des capteurs innovants à partir de telles hétéro-structures requière la maîtrise de la synthèse des matériaux associés, et la connaissance approfondie de leur physique. Les premiers monocristaux de H-BN de grande pureté ont été crûs en 2004, au Japon. Sur la base de leurs performances optiques exceptionnelles, il a été avancé que le gap était direct, en opposition totale avec les prédictions théoriques les plus avancées.
Un groupe de chercheurs du laboratoire Charles Coulomb de Montpellier a démontré expérimentalement la nature indirecte de la bande d’énergie interdite de H-BN, conciliant ainsi mesure et théorie. Pour mesurer la fluorescence de ce matériau, Guillaume Cassabois, Pierre Valvin et Bernard Gil ont développé la technique d’excitation à deux photons dans la plate-forme de spectroscopie optique du laboratoire, opérant dans l’ultra-violet profond jusqu’à 200 nm. Ils ont ainsi démontré comment la symétrie hexagonale de H-BN conduit à des propriétés optiques particulièrement originales par rapport aux semi-conducteurs cubiques à bande interdite indirecte tels que le diamant, le silicium ou encore le germanium. Dans H-BN, c’est non seulement la bande de conduction mais aussi la bande de valence qui ont des extrema dans différentes vallées, hors du centre de la première zone de Brillouin. Les phonons mis en jeu lors des processus de relaxation d’énergie ont une vitesse de groupe non nulle, ce qui conduit à une réponse optique inédite à ce jour. Grâce à des mesures d’excitation de la photoluminescence à deux photons, ces chercheurs ont par ailleurs mesuré l’écart en énergie entre les états excitoniques de symétrie s et p, conduisant ainsi à la première estimation expérimentale de l’énergie de liaison de l’exciton indirect, de l’ordre de 130 meV.
En savoir plus
Hexagonal boron nitride is an indirect bandgap semiconductor : G. Cassabois, P. Valvin, B. Gil, Nature Photonics (2016)
http://arxiv.org/abs/1512.02962
Contact chercheur :
Bernard Gil, Directeur de Recherche (laboratoire Charles Coulomb) - UMR 5221 CNRS/Université de Montpellier
Guillaume Cassabois, Professeur des Universités (laboratoire Charles Coulomb) - UMR 5221 CNRS/Université de Montpellier
Pierre Valvin, Ingénieur d’Etudes (laboratoire Charles Coulomb) - UMR 5221 CNRS/Université de Montpellier
