Une technique de lumière bleue révolutionne l’étude des semi-conducteurs

Des chercheurs de l’université Brown ont réussi à résoudre un problème de résolution qui limitait depuis des décennies l’étude des matériaux susceptibles de conduire à des semi-conducteurs et à des produits électroniques plus efficaces sur le plan énergétique.

En utilisant une nouvelle technique de microscopie basée sur la lumière bleue pour mesurer les électrons dans les semi-conducteurs et d’autres matériaux à l’échelle nanométrique, ces chercheurs ouvrent un nouveau champ de possibilités dans l’étude de ces composants essentiels, qui peuvent contribuer à alimenter des appareils tels que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables. Cette découverte pourrait avoir un impact significatif sur l’industrie électronique.

Ces résultats constituent une première dans le domaine de l’imagerie à l’échelle nanométrique et permettent de résoudre un problème de longue date qui a considérablement limité l’étude de phénomènes clés dans une grande variété de matériaux qui pourraient un jour déboucher sur des semi-conducteurs et des appareils électroniques plus efficaces sur le plan énergétique. Les travaux publiés dans la revue Light : Science & Applications.

« L’étude des matériaux avec une résolution à l’échelle nanométrique grâce à l’optique suscite actuellement beaucoup d’intérêt« , explique Daniel Mittleman, professeur à la Brown’s School of Engineering et auteur de l’article décrivant les travaux. « Plus la longueur d’onde est courte, plus il est difficile de la mettre en œuvre. Par conséquent, personne ne l’avait jamais fait avec la lumière bleue jusqu’à présent« .

En règle générale, lorsque les chercheurs utilisent l’optique comme les lasers pour étudier les matériaux à l’échelle nanométrique, ils utilisent une lumière qui émet de grandes longueurs d’onde, comme la lumière rouge ou l’infrarouge. La méthode examinée par les chercheurs dans le cadre de l’étude est appelée microscopie à champ proche à balayage de type diffusion (s-SNOM). Elle consiste à diffuser de la lumière à partir d’une pointe aiguisée de quelques dizaines de nanomètres seulement. La pointe plane juste au-dessus de l’échantillon à imager. Lorsque l’échantillon est éclairé par une lumière optique, la lumière se disperse et une partie de la lumière diffusée contient des informations sur la région nanométrique de l’échantillon située directement sous la pointe. Les chercheurs analysent ce rayonnement diffusé pour extraire des informations sur ce petit volume de matériau.

Cette technique a été à la base de nombreuses avancées technologiques, mais elle se heurte à un mur lorsqu’il s’agit d’utiliser une lumière de longueur d’onde beaucoup plus courte, comme la lumière bleue. Cela signifie que l’utilisation de la lumière bleue, qui convient mieux à l’étude de certains matériaux pour lesquels la lumière rouge est inefficace, pour obtenir de nouvelles informations sur des semi-conducteurs déjà bien étudiés, est restée hors de portée depuis les années 1990, date à laquelle la technique a été inventée.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs de Brown expliquent comment ils ont contourné cet obstacle pour réaliser ce qui est considéré comme la première démonstration expérimentale de s-SNOM en utilisant la lumière bleue au lieu de la rouge.

Pour l’expérience, les chercheurs ont utilisé la lumière bleue pour obtenir des mesures d’un échantillon de silicium qui ne peuvent pas être obtenues avec la lumière rouge. Les mesures ont fourni une preuve de concept précieuse sur l’utilisation de longueurs d’onde plus courtes pour étudier les matériaux à l’échelle nanométrique.

« Nous avons pu comparer ces nouvelles mesures à celles que l’on pourrait attendre du silicium, et la correspondance était très bonne« , a déclaré Mittleman. « Cela confirme que nos mesures fonctionnent et que nous savons comment interpréter les résultats. Nous pouvons maintenant commencer à étudier tous ces matériaux d’une manière qui n’était pas possible auparavant.« 

Pour réaliser l’expérience, les chercheurs ont dû faire preuve de créativité. En fait, ils ont décidé de rendre les choses plus faciles en les rendant plus compliquées. Avec la technique classique, par exemple, la lumière bleue est difficile à utiliser parce que sa longueur d’onde est très courte, ce qui signifie qu’il est plus difficile de se concentrer sur le bon point près de la pointe métallique. Si l’alignement n’est pas parfait, la mesure ne fonctionnera pas. Avec la lumière rouge, cette condition de mise au point est plus souple, ce qui facilite l’alignement de l’optique afin d’extraire efficacement la lumière diffusée.

En gardant ces défis à l’esprit, les chercheurs ont utilisé la lumière bleue non seulement pour éclairer l’échantillon de manière à ce que la lumière se disperse, mais aussi pour produire une rafale de rayonnement térahertz à partir de l’échantillon. Ce rayonnement est porteur d’informations importantes sur les propriétés électriques de l’échantillon. Bien que la solution ajoute une étape supplémentaire et augmente la quantité de données que les scientifiques doivent analyser, elle élimine la nécessité d’être aussi précis dans l’alignement de la pointe sur l’échantillon. En effet, le rayonnement térahertz ayant une longueur d’onde beaucoup plus grande, il est beaucoup plus facile de l’aligner.

« Il faut toujours qu’il soit très proche, mais il n’est pas nécessaire qu’il le soit autant« , explique Mittleman. « Lorsque vous l’atteignez avec la lumière, vous pouvez toujours obtenir des informations dans les térahertz.« 

Les chercheurs sont impatients de voir ce qui se passera ensuite en termes de nouvelles informations et de découvertes que la méthode permettra d’obtenir, comme par exemple une meilleure compréhension des semi-conducteurs utilisés pour produire la technologie des LED bleues. Mittleman élabore actuellement des plans pour utiliser la lumière bleue afin d’analyser des matériaux que les chercheurs n’ont pas pu analyser auparavant.

Les travaux ont été dirigés par Angela Pizzuto, doctorante en physique à Brown, qui obtiendra son diplôme en mai. Pingchuan Ma, étudiant en doctorat à l’école d’ingénierie de Brown, y a également contribué.

Les travaux ont été soutenus par la division des communications électriques et des systèmes cybernétiques de la National Science Foundation, le Kansas City National Security Campus et le ministère de l’énergie.

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