Silicium mésoporeux : un semi-conducteur aux nouveaux talents

Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus connu. Mais une nanostructuration ciblée peut modifier drastiquement les propriétés du matériau. Une équipe allemande du HZB a fabriqué des couches de silicium mésoporeux avec d’innombrables pores minuscules à l’aide d’un appareil de gravure spécialement conçu à cet effet et a étudié leur conductivité électrique ainsi que leur force thermique. Les chercheurs ont ainsi pu expliquer pour la première fois comment fonctionne le transport électronique dans ce silicium mésoporeux. Ce matériau a un grand potentiel d’applications et pourrait également isoler thermiquement des qubits pour les ordinateurs quantiques.

Le silicium mésoporeux est du silicium cristallin avec des pores désordonnés de la taille du nanomètre. Ce matériau possède une énorme surface interne et est en outre biocompatible. Il en résulte de nombreuses options d’application, des biocapteurs aux anodes de batterie et aux condensateurs. En outre, le matériau possède une conductivité thermique exceptionnellement faible, ce qui est intéressant pour les applications d’isolation thermique.

Qu’est-ce qui domine le transport ?

Bien que le silicium mésoporeux soit connu depuis des décennies, il manquait jusqu’à présent une compréhension fondamentale du transport des porteurs de charge et de l’éventuelle participation des vibrations du réseau (phonons) au transport de charge dans ce matériau. « Comprendre précisément les propriétés et les processus de transport est pourtant une condition préalable au développement ciblé de ce matériau », explique le privat-docent Dr Klaus Habicht, qui dirige le département Dynamique et transport dans les matériaux quantiques (QM-ADT) au HZB.

Habicht et son équipe viennent de présenter cette analyse. Pour ce faire, ils ont synthétisé une série de nanostructures de silicium à l’aide d’une technique de gravure optimisée au HZB et ont déterminé la conductivité électrique et la force thermique en fonction de la température.
Des états électroniques ondulatoires

« L’analyse des données de mesure nous a permis d’identifier clairement le processus fondamental du transport de charge », indique le Dr Tommy Hofmann, premier auteur de l’étude. La principale conclusion est la suivante : « Ce ne sont pas les électrons localisés par le désordre, sautant d’un état localisé à un autre, qui dominent le transport de charge, mais ceux dans des états étendus et ondulés . Dans ce cas, la conductivité diminue avec l’augmentation du désordre. L’énergie d’activation nécessaire pour amener les porteurs de charge au-dessus d’un « bord de mobilité » dépendant du désordre augmente. »

Les vibrations du réseau ne jouent aucun rôle

Contrairement à un processus de saut, les oscillations de grille ne jouent aucun rôle dans le transport de charge. C’est ce qu’ont montré en particulier les mesures de l’effet Seebeck, qui consiste à déterminer la tension électrique qui apparaît lorsque l’échantillon est soumis à une différence de température le long d’une direction définie.

« Nous fournissons ainsi pour la première fois une explication solide et inédite du transport microscopique des porteurs de charge dans le silicium nanostructuré désordonné », explique le Dr Tommy Hofmann.

Le silicium mésoporeux comme isolant pour les qbits

« Ces résultats sont tout à fait pertinents dans la pratique, car le silicium mésoporeux pourrait être idéal pour les qubits à base de silicium. Ces qubits fonctionnent à basse température, typiquement en dessous de 1 kelvin, et nécessitent une très bonne isolation thermique pour ne pas absorber la chaleur de l’environnement et effacer l’information stockée dans les qubits. » ajoute le Dr Klaus Habicht.

Le désordre peut être utilisé

L’utilisation de silicium mésoporeux pourrait également s’avérer utile pour les applications de semi-conducteurs qui échouent jusqu’à présent en raison de la conductivité thermique élevée du silicium cristallin ou polycristallin. « Le désordre peut être utilisé de manière ciblée », conclut le Dr Klaus Habicht. Les semi-conducteurs avec des mésopores répartis de manière purement stochastique constitueraient ainsi une nouvelle classe de matériaux passionnante pour des applications techniques allant du photovoltaïque, de la gestion thermique, de la nanoélectronique jusqu’aux qubits pour les ordinateurs quantiques.

Légende illustration : Dans le silicium mésoporeux, le transport de charge est dominé par des électrons dans des états ondulés étendus (en bleu). M. Künsting / HZB

Small Structures (2025): « Electrons, Localization but no Hopping: Disorder as Key for Understanding Charge Transport in Mesoporous Silicon » -DOI : 10.1002/sstr.202400437