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Electroluminescence de nanocristaux dans l’infrarouge

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Alors que diminuer notre consommation d'énergie est un défi majeur, il devient crucial de développer des sources lumineuses moins gourmandes en énergie. Ce n'est pas seulement vrai dans le domaine de la lumière visible mais aussi dans l'infrarouge. Actuellement, peu de sources de lumière efficaces existent dans la gamme de longueurs d’onde de 1,5 à 4 µm, alors que plusieurs applications, telles que l'éclairage des aérodromes, les véhicules autonomes ou l’analyse des gaz par spectroscopie, nécessitent ce type de source.

Cette étude décrit la conception d'une diode électroluminescente constituée de nanoparticules colloïdales, qui émet des infrarouges dans la gamme de 2 à 2,3 µm.

Les nanocristaux sont des nanoparticules semi-conductrices dont la couleur peut être facilement ajustée grâce à leur taille. Ils ont été initialement conçus pour émettre de la lumière dans le domaine visible et sont notamment utilisés dans les écrans comme source de lumière verte et rouge. Cependant, il est également possible d'obtenir des nanocristaux aux caractéristiques optiques réglables dans l'infrarouge (IR) en utilisant des matériaux tels que le PbS ou le HgTe. Ces nanoparticules ont été intégrées dans la conception de cellules solaires et de capteurs d’image – dispositifs dans lesquels les nanoparticules absorbent la lumière IR. Mais beaucoup moins d'efforts ont été consacrés aux propriétés d'émission de ces nanoparticules dans l’IR, alors qu'elles semblent être d’intenses sources de lumière.

Le domaine des sources infrarouges est principalement dominé par les semi-conducteurs tel que InGaAs, InSb ou HgCdTe, obtenus par épitaxie. Dans le domaine des télécommunications -environ 1,5 µm de longueur d’onde- des sources rapides et puissantes ont été obtenues en utilisant une structure de puits quantiques. De même, au-dessus de 4 µm, les lasers à cascade quantique atteignent désormais une haute luminosité. Il demeure un fossé technologique entre 1,5 et 4 µm où seules quelques technologies sont disponibles. Un consortium de chercheurs (Sorbonne Université - INSP, ENSTA - LOA, ESPCI, C2N, Synchrotron SOLEIL et ONERA) a conçu la première diode électroluminescente (LED) à base de nanocristaux fonctionnant au-dessus de 2 µm, voir figure 1.

Figure 1 : spectre de la lumière émise par la LED

 

Pour obtenir une telle LED, ils ont conçu un empilement de couches dans lequel le matériau émetteur de lumière (HgTe) est pris en sandwich entre des couches de ZnO et de PbS qui sont respectivement chargées de la conduction des électrons et des trous, voir figure 2.

Le dispositif atteint une efficacité quantique externe de 0,3 %, comparable à celle des toutes dernières LED conçues par croissance épitaxiale, qui émettent aussi à cette longueur d'onde. Une faible tension d'allumage de 0,6 eV (≈EG/e) et une forte radiance atteignant 3 W.Sr-1m-2 sont par ailleurs obtenues.

Figure 2 : schéma de la LED permettant une émission d’infrarouges de longueurs d’onde supérieures à 2µm

 

Les mécanismes de fonctionnement du dispositif, en particulier le rôle du ZnO dans la couche de HgTe:ZnO, ont été élucidés à l'aide de trois approches : (1) le transport électrique, (2) la spectroscopie de réflectivité transitoire, et (3) la photoémission des rayons X résolue en temps, mise en œuvre sur la ligne TEMPO à SOLEIL.

Les résultats indiquent que, dans la couche HgTe:ZnO, les nanocristaux de HgTe « commandent » le transport tandis que le contenu des nanocristaux de ZnO régule le porteur de charge majoritaire, et donc l'équilibre des charges dans le dispositif, ce qui est essentiel pour obtenir des performances élevées.

L’étape suivante de ces recherches devra se concentrer sur l'amélioration des performances du dispositif, en travaillant sur une meilleure ingénierie de l'extraction de la lumière et de l'alignement des bandes des différentes couches semiconductrices qui composent la LED.