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L’énigme de l’énergie électronique : l’effet Auger-Meitner dévoilé

L'énigme de l'énergie électronique : l'effet Auger-Meitner dévoilé

L’effet Auger-Meitner assisté par piège permet de transférer de l’énergie à un autre électron. Crédit:
Fangzhou Zhao

Les défauts entravent souvent l’efficacité des gadgets comme les diodes électroluminescentes (DEL). Bien que nous ayons une compréhension claire de la façon dont les défauts entraînent une perte de porteurs de charge dans les matériaux qui émettent de la lumière rouge ou verte, les raisons de ces pertes dans les émetteurs de longueur d’onde bleue ou ultraviolette sont restées floues.

Cependant, des chercheurs du département des matériaux de l’UC Santa Barbara ont récemment découvert le rôle crucial de l’effet Auger-Meitner, un mécanisme qui permet à un électron de perdre de l’énergie en propulsant un autre électron vers un état d’énergie plus élevée.

« Il est bien connu que les défauts ou les impuretés – collectivement appelés » pièges « – réduisent l’efficacité des LED et autres appareils électroniques », a déclaré le professeur de matériaux Chris Van de Walle, dont le groupe a effectué la recherche.

La nouvelle méthodologie a révélé que l’effet Auger-Meitner assisté par piège peut produire des taux de perte qui sont des ordres de grandeur supérieurs à ceux causés par d’autres mécanismes précédemment considérés, résolvant ainsi l’énigme de la façon dont les défauts affectent l’efficacité des émetteurs de lumière bleue ou UV. Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d’examen physique.

Les observations de ce phénomène remontent aux années 1950, lorsque des chercheurs des Bell Labs et de General Electric ont observé son impact néfaste sur les transistors. Van de Walle a expliqué que les électrons peuvent être piégés dans des défauts et devenir incapables de remplir leur rôle prévu dans l’appareil, qu’il s’agisse d’amplifier une charge dans un transistor ou d’émettre de la lumière en la recombinant avec un trou (un état inoccupé à faible énergie) dans un DIRIGÉ. L’énergie perdue dans ce processus de recombinaison était supposée être libérée sous la forme de phonons, c’est-à-dire de vibrations de réseau qui chauffent le dispositif.

Le groupe de Van de Walle avait précédemment modélisé ce processus médié par les phonons et avait constaté qu’il correspondait dûment à la perte d’efficacité observée dans les LED qui émettent de la lumière dans les régions rouges ou vertes du spectre. Cependant, pour les LED bleues ou ultraviolettes, le modèle a échoué ; la plus grande quantité d’énergie transportée par les électrons à ces longueurs d’onde plus courtes ne peut tout simplement pas être dissipée sous forme de phonons.

« C’est là qu’intervient le processus Auger-Meitner », a expliqué Fangzhou Zhao, chercheur postdoctoral dans le groupe de Van de Walle et chercheur principal du projet. Les chercheurs ont découvert qu’au lieu de libérer de l’énergie sous forme de phonons, l’électron transfère son énergie à un autre électron qui est propulsé à un état d’énergie plus élevé. Ce processus est souvent appelé l’effet Auger, du nom de Pierre Auger, qui l’a rapporté en 1923. Cependant, Lise Meitner – dont les nombreuses réalisations n’ont jamais été correctement reconnues de son vivant – avait déjà décrit le même phénomène en 1922.

Des travaux expérimentaux dans le groupe du professeur de matériaux de l’UC Santa Barbara, James Speck, avaient suggéré précédemment que des processus Auger-Meitner assistés par piège pourraient se produire; cependant, sur la base des seules mesures, il est difficile de distinguer rigoureusement les différents canaux de recombinaison. Zhao et ses co-chercheurs ont développé une méthodologie basée sur les premiers principes qui, combinée à des calculs de pointe, a établi de manière concluante le rôle crucial du processus Auger-Meitner. Dans le cas du nitrure de gallium, le matériau clé utilisé dans les LED commerciales, les résultats ont montré des taux de recombinaison assistée par piège qui étaient plus d’un milliard de fois plus élevés que si seul le processus médié par les phonons avait été pris en compte. De toute évidence, tous les pièges ne montreront pas des améliorations aussi importantes ; mais avec la nouvelle méthodologie en main, les chercheurs peuvent désormais évaluer avec précision quels défauts ou impuretés nuisent réellement à l’efficacité.

« Le formalisme informatique est complètement général et peut être appliqué à tout défaut ou impureté dans les matériaux semi-conducteurs ou isolants », a déclaré Mark Turiansky, un autre chercheur postdoctoral du groupe de Van de Walle qui a participé au projet. Les chercheurs espèrent que ces résultats amélioreront la compréhension des mécanismes de recombinaison non seulement dans les émetteurs de lumière à semi-conducteurs, mais également dans tout matériau à large bande interdite dans lequel des défauts limitent l’efficacité.

La recherche a été soutenue par le Département de l’énergie du Bureau des sciences de l’énergie de base et une bourse de la faculté Vannevar Bush du Département de la défense, qui a été attribuée à Van de Walle en 2022. Zhao a reçu une bourse postdoctorale du prix Elings. Les calculs ont été effectués au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

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