Des chercheurs de l'Université de Tohoku ont amélioré une méthode de sondage des cristaux semi-conducteurs avec de la lumière pour détecter les défauts et les impuretés. Les détails de leur configuration de spectroscopie de photoluminescence omnidirectionnelle (ODPL) ont été publiés dans la revue Physique Appliquée Express , et pourrait aider à améliorer la fabrication de matériaux pour les voitures électriques et les cellules solaires.

"Notre technique permet de tester des matériaux à très basse température et peut trouver même de petites quantités de défauts et d'impuretés, ", explique Kazunobu Kojima, scientifique en matériaux de l'Université du Tohoku.

Kojima et ses collègues ont démontré leur approche en utilisant des cristaux de nitrure de gallium. Le nitrure de gallium est un cristal semi-conducteur utilisé dans les diodes électroluminescentes (DEL) à économie d'énergie depuis les années 2000. Il a des propriétés optiques et électroniques intéressantes, le rendant attrayant pour de nombreuses applications, y compris les dispositifs de commutation de puissance dans les véhicules électriques. Mais il peut développer des défauts et des impuretés lors de sa fabrication, ce qui peut affecter les performances. Les méthodes actuellement disponibles pour tester ces cristaux sont coûteuses ou trop invasives.

La spectroscopie ODPL, d'autre part, est une technique non invasive qui permet de tester les cristaux, mais seulement à température ambiante. Être capable de changer la température du cristal est important pour tester correctement ses propriétés.

Kojima et ses collègues ont trouvé un moyen de configurer un instrument ODPL afin que le cristal puisse être refroidi. Le processus consiste à placer un cristal de nitrure de gallium sur une plaque d'aluminium reliée à un dispositif de refroidissement. Celui-ci est placé sous une "sphère d'intégration, " qui recueille la lumière provenant de plusieurs directions. La lumière extérieure est dirigée à travers la sphère sur le cristal, l'exciter. Le cristal renvoie de la lumière dans la sphère afin de revenir à son état initial non excité. Les deux lumières, de la source extérieure et du cristal, sont intégrés dans la sphère et mesurés par un détecteur. Le résultat révèle "l'efficacité quantique interne du cristal, " qui est réduit s'il contient des défauts et des impuretés, et peut être mesuré même à des températures très basses.

La modification de l'équipe - placer le cristal à l'extérieur de la sphère et le connecter à quelque chose qui le refroidit - signifie que le changement de température se produit de manière cruciale uniquement dans le cristal et non dans la sphère. Les scientifiques ont pu mesurer l'efficacité quantique interne d'échantillons de nitrure de gallium en utilisant cette technique à des températures allant de -261°C à environ 27°C.

"Nous prévoyons ensuite d'utiliser notre méthode pour tester d'autres matériaux, tels que les pérovskites pour une utilisation dans des cellules solaires hautement efficaces et le nitrure de bore en tant que matériau bidimensionnel atomiquement mince, " dit Kojima.