Flux d'énergie dans les semi-conducteurs : nouvelles perspectives grâce à la spectroscopie ultrarapide
Inimaginablement petit
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Pour la première fois et avec une précision sans précédent, une équipe de chercheurs de l'université de Bâle a observé des mécanismes uniques de flux d'énergie dans un matériau semi-conducteur après excitation par des impulsions laser extrêmement courtes. Il est essentiel de mieux comprendre ces flux d'énergie pour améliorer l'efficacité des appareils électroniques et des puces informatiques.
Qu'il s'agisse d'un smartphone ou d'un ordinateur portable, les semi-conducteurs constituent la base de l'électronique moderne et nous accompagnent constamment dans la vie de tous les jours. Les processus qui se déroulent à l'intérieur de ces matériaux font l'objet de recherches permanentes. Lorsque les électrons d'un matériau semi-conducteur sont activés par la lumière ou une tension électrique, les électrons excités mettent également en mouvement le réseau atomique. Il en résulte des vibrations collectives des atomes, appelées phonons ou vibrations du réseau, qui interagissent entre elles et avec les électrons eux-mêmes.
Ces minuscules vibrations du réseau jouent un rôle essentiel dans la manière dont l'énergie circule et se dissipe dans le matériau - en d'autres termes, dans l'efficacité avec laquelle l'énergie est redistribuée et dans la force avec laquelle le matériau se réchauffe. Différentes approches peuvent être utilisées pour contrôler et surveiller la propagation des vibrations du réseau - et donc pour rendre le semi-conducteur plus efficace et plus performant.
Une connaissance détaillée des mécanismes de perte d'énergie et de surchauffe potentielle est essentielle pour concevoir de nouveaux matériaux et dispositifs qui s'échauffent moins, se rétablissent plus rapidement ou réagissent plus précisément à une excitation externe. Une équipe dirigée par le professeur Ilaria Zardo de l'université de Bâle fait état de la précision sans précédent qu'elle a atteinte dans les mesures des processus de flux d'énergie au sein du germanium semi-conducteur, qui est fréquemment utilisé dans la technologie informatique, comme cela est publié dans la revue Advanced Science.
Flux d'énergie suite à une excitation ultrarapide
L'équipe du département de physique et de l'Institut suisse des nanosciences a mis au point une technique unique permettant de mesurer avec précision la manière dont les électrons et les phonons se déplacent et échangent de l'énergie au sein du réseau cristallin du matériau analysé après une excitation par des impulsions laser ultrabrèves de seulement 30 femtosecondes (1 femtoseconde équivaut à 10-15 secondes). Les physiciens ont ainsi pu montrer comment l'énergie circule, comment elle est transférée et comment elle est convertie en chaleur dans le matériau.
"Pour la première fois, la combinaison de deux techniques spectroscopiques nous a permis d'observer comment l'énergie est transférée étape par étape du système électronique au réseau. Nous pouvons également observer comment la fréquence, l'intensité et la durée des vibrations du réseau évoluent dans le temps après l'excitation", explique le Dr Grazia Raciti, premier auteur de la publication.
Une taille inimaginable
Ici, l'une des techniques spectroscopiques, connue sous le nom de spectroscopie Raman résolue dans le temps, mesure d'infimes changements dans les vibrations du réseau atomique. La seconde technique, connue sous le nom de spectroscopie de réflexion transitoire, enregistre le changement de comportement de la lumière à la suite d'une brève excitation.
La difficulté de ces mesures est liée aux signaux minuscules et à l'échelle de temps sur laquelle les interactions ont lieu. Les mesures étant effectuées sur une période de 48 heures, le système est excité par une brève impulsion laser une fois par microseconde. Les changements observés dans le système se produisent alors à l'échelle de la picoseconde. Begoña Abad Mayor, chercheuse dans l'équipe de Zardo, explique ces dimensions inimaginables par une analogie : "Si nous imaginons que l'intervalle de temps entre deux impulsions laser (qui est en fait d'une microseconde) dure 10 jours, la réponse de l'échantillon que nous enregistrons dans le semi-conducteur ne dure qu'une seconde.
Par conséquent, ces mesures permettent d'accéder à des échelles de temps incroyablement rapides avec une sensibilité extrêmement élevée. Les chercheurs peuvent détecter de minuscules changements d'une intensité inférieure à 1 % et d'une fréquence inférieure à 0,2 cm-¹. Grâce à cette résolution temporelle et énergétique à l'échelle atomique, il est possible de différencier les divers mécanismes de perte d'énergie.
Les chercheurs du département de physique et de l'Institut suisse des nanosciences de l'Université de Bâle ont complété leurs recherches expérimentales par des simulations informatiques de pointe. Cela leur a permis de comprendre en détail les processus physiques qui sous-tendent les résultats des mesures.
Une compréhension nécessaire pour poursuivre le développement
Le résultat combiné fournit une image détaillée de la façon dont l'énergie est distribuée et dissipée dans le germanium à la suite d'une excitation ultrarapide. "Cette recherche fondamentale est essentielle pour comprendre et développer l'électronique moderne et les nouveaux composants phononiques, et peut donc déboucher sur des puces, des capteurs ou d'autres dispositifs électroniques plus performants", déclare Zardo.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Grazia Raciti, Begoña Abad, Riccardo Dettori, Raja Sen, Aswathi K. Sivan, Jose M. Sojo‐Gordillo, Nathalie Vast, Riccardo Rurali, Claudio Melis, Jelena Sjakste, Ilaria Zardo; "Unraveling Energy Flow Mechanisms in Semiconductors by Ultrafast Spectroscopy: Germanium as a Case Study"; Advanced Science, 2026-1-12
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