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Silicium mésoporeux : un semi-conducteur aux nouveaux talents

Silicium mésoporeux : un semi-conducteur aux nouveaux talents

par Helmholtz-Zentrum Berlin (DEU)
3 mars 2025
en Matériaux, Technologie

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.

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« 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

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Helmholtz-Zentrum Berlin (DEU)

Helmholtz-Zentrum Berlin (DEU)

Le Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) est un centre de recherche allemand majeur situé à Berlin. Fondé initialement en 1959 sous le nom de Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung, il a pris son nom actuel en 2008 lors de sa fusion avec le synchrotron BESSY II. Le HZB emploie plus de 1250 personnes, dont environ 40% de scientifiques, et dispose d'un budget annuel de 190 millions d'euros. L'institution est financée à 90% par le gouvernement fédéral allemand et à 10% par le Land de Berlin. Domaines de Recherche Principaux Matériaux et Énergie Le centre concentre ses recherches sur deux axes majeurs : l'étude des matériaux pour la conversion et le stockage d'énergie, et le développement de technologies d'accélérateurs de particules. Domaines technologiques clés - Photovoltaïque et cellules solaires - Matériaux pour le stockage d'énergie - Nouveaux catalyseurs - Technologies d'information éco-énergétiques - Technologie des accélérateurs Infrastructure de Recherche L'installation phare du HZB est le synchrotron BESSY II, une source de rayonnement synchrotron de troisième génération située à Berlin-Adlershof. Cette infrastructure accueille environ 2700 visites de chercheurs provenant de 28 pays chaque année. Les scientifiques utilisent cette installation pour étudier la structure des matériaux et mener des recherches dans divers domaines, notamment : - L'analyse des cellules solaires - L'étude des matériaux pour batteries - La recherche sur les matériaux catalytiques - L'examen de virus, bactéries et météorites

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