Le désordre crée de nouvelles propriétés dans les semi-conducteurs composés

Antonia Rötger

Une équipe de recherche internationale a démontré que le désordre intrinsèque du semi-conducteur composé CuInSnS₄ peut être exploité pour influencer ses propriétés optiques. Alors que les vibrations atomiques ressentent également le désordre local, leur réponse est moyennée sur de nombreux environnements locaux différents et apparaît donc isotrope, comme attendu pour un cristal cubique.

En revanche, les excitations optiques, appelées excitons, sont beaucoup plus sensibles à l’arrangement local des atomes. Étonnamment, elles montrent une réponse optique dépendante de la direction, bien que la structure cristalline moyenne soit cubique. Ces découvertes apportent un nouvel éclairage sur la relation entre le désordre et les propriétés des matériaux, ouvrant de nouvelles options pour une « ingénierie du désordre » ciblée dans les dispositifs optoélectroniques et photocatalytiques.

Les cristaux sont généralement caractérisés par un arrangement périodique d’atomes, dans lequel chaque élément occupe des sites cristallographiques bien définis dans toute la structure. Dans les semi-conducteurs composés tels que CuInSnS₄, un membre de la famille des chalcogénures adamantins, les cations sont idéalement répartis sur des positions spécifiques dans la structure cristalline. En pratique, cependant, certains sites d’étain (Sn) peuvent être occupés par des cations d’indium, qui ont à peu près une taille similaire, et vice versa, ce qui entraîne un désordre dit antisite. Bien que ce désordre intrinsèque n’ait qu’un effet mineur sur les paramètres du réseau, il peut influencer considérablement les propriétés optoélectroniques du matériau. Une équipe internationale dirigée par la Prof. Dr. Susan Schorr (HZB) et la Dr. Mirjana Dimitrievska (EMPA) a maintenant étudié ces effets en détail.

Démêler les effets du désordre

Comme la distribution des cations In³⁺ et Sn⁴⁺ sur leurs sites cristallographiques est difficile à déterminer par diffraction des rayons X conventionnelle, les scientifiques ont combiné des techniques de spectroscopie vibrationnelle avec des mesures de photoluminescence pour démêler les effets du désordre sur les vibrations du réseau (phonons) et les excitations optiques (excitons). Certaines de ces expériences ont été réalisées à la source de rayonnement synchrotron BESSY II du HZB. Les données expérimentales ont été interprétées sur la base de modèles théoriques. 

« C’était la qualité exceptionnelle des monocristaux de CuInSnS₄ qui nous a permis de séparer clairement les effets du désordre sur les phonons et les excitons. Grâce à une évaluation approfondie des données expérimentales, nous pouvons déduire que le désordre a très peu d’effet sur les vibrations du réseau, mais qu’en revanche, il modifie les propriétés optiques », explique Susan Schorr.

Les propriétés optiques changent

« Notre étude montre que le désordre intrinsèque peut localiser les excitons, ce qui signifie que les excitations générées par la lumière deviennent confinées à des environnements atomiques locaux spécifiques », explique Mirjana Dimitrievska.

« Ce qui est surprenant, c’est que ces excitons localisés ne répondent pas de manière égale dans toutes les directions. Ils acquièrent une direction optique préférée, ce qui fait que le matériau réagit différemment à la lumière polarisée, même si la structure cristalline moyenne est cubique. » Susan Schorr ajoute : « Cette classe de matériaux ouvre un nouveau domaine de recherche passionnant : les changements de composition nous permettent d’ajuster l’énergie de la bande interdite, tandis que le degré de désordre offre un levier supplémentaire pour ajuster les propriétés optoélectroniques. »

Nouvelles applications

Pour résumer, Mirjana Dimitrievska souligne : « Les chalcogénures adamantins pourraient être utiles dans les technologies optiques où la direction de la lumière compte, telles que les émetteurs de lumière sensibles à la polarisation, les photodétecteurs qui distinguent la polarisation de la lumière incidente, et les composants optiques à base d’excitons pour la détection ou le traitement de l’information. Leur réponse optique ajustable pourrait également ouvrir de nouvelles possibilités pour la photocatalyse. »

Article : When cubic is not isotropic: phonon-exciton decoupling in CuInSnS4 single crystals – Journal : Advanced Optical Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : HZB