Les spectres d’absorption optique très précis du diamant révèlent une division ultra-fine. Crédit : KyotoU/Nobuko Naka
Les spectres d’absorption optique très précis du diamant révèlent une division ultra-fine.
En plus d’être « le meilleur ami des filles », les diamants ont de nombreuses applications industrielles, notamment dans l’électronique à semi-conducteurs. Les nouvelles technologies visent à produire des cristaux synthétiques de haute pureté qui deviennent excellents semi-conducteurs lorsqu’il est dopé avec des impuretés en tant que donneurs d’électrons ou accepteurs d’autres éléments.
La science du dopage
Ces électrons supplémentaires – ou trous – ne participent pas à la liaison atomique mais se lient parfois à excitons — quasi-particules constituées d’un électron et d’un trou d’électron — dans les semi-conducteurs et autres matières condensées. Le dopage peut provoquer des changements physiques, mais comment complexe d’excitons – un état lié de deux trous chargés positivement et d’un électron chargé négativement – se manifeste dans les diamants dopés au bore n’est pas confirmé. Il existe deux interprétations contradictoires de la structure de l’exciton.
Recherche révolutionnaire sur les excitons
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’Université de Kyoto a maintenant déterminé l’ampleur de l’interaction spin-orbite dans les excitons liés à l’accepteur dans un semi-conducteur.
« Nous avons dépassé la limite de résolution énergétique des systèmes conventionnels. luminescence mesures en observant directement la structure fine des excitons liés dans le diamant bleu dopé au bore, en utilisant l’absorption optique », explique le chef d’équipe Nobuko Naka de la Graduate School of Science de KyotoU.
« Nous avons émis l’hypothèse que, dans un exciton, deux trous chargés positivement sont plus fortement liés qu’une paire électron-trou », ajoute le premier auteur Shinya Takahashi. « Cette structure d’exciton liée à l’accepteur a donné deux triplés séparés par une division spin-orbite de 14,3 meV, confortant l’hypothèse.
La luminescence résultant d’une excitation thermique peut être utilisée pour observer des états de haute énergie, mais cette méthode de mesure actuelle élargit les raies spectrales et brouille les divisions ultra-fines.
Techniques avancées et orientations futures
Au lieu de cela, l’équipe de Naka a refroidi le cristal de diamant à des températures cryogéniques, obtenant neuf pics sur le spectre d’absorption ultraviolette profonde, contre quatre habituellement en utilisant la luminescence. De plus, les chercheurs ont développé un modèle analytique incluant l’effet spin-orbite pour prédire les positions énergétiques et les intensités d’absorption.
« Dans les études futures, nous envisageons la possibilité de mesurer l’absorption sous des champs externes, conduisant à une division et une validation supplémentaires des lignes en raison des changements de symétrie », explique Julien Barjon de l’Université Paris-Saclay.
Implications pour la science des matériaux
«Nos résultats fournissent des informations utiles sur les interactions spin-orbite dans des systèmes allant au-delà des matériaux solides, tels que la physique atomique et nucléaire. Une compréhension plus approfondie des matériaux pourrait améliorer les performances des dispositifs en diamant, tels que les diodes électroluminescentes, les émetteurs quantiques et les détecteurs de rayonnement », note Naka.
