Des chercheurs de l'Université de Tohoku ont développé une technique utilisant une sphère creuse pour mesurer les propriétés électroniques et optiques de grands cristaux semi-conducteurs. L'approche, publié dans la revue Physique Appliquée Express , améliore les techniques actuelles de spectroscopie de photoluminescence et pourrait conduire à des économies d'énergie pour les producteurs de masse, et donc les consommateurs, des appareils de puissance.

Les cristaux semi-conducteurs sont utilisés pour fabriquer des appareils électroniques tels que des puces de microprocesseur et des transistors. Les fabricants doivent être en mesure de détecter les défauts des cristaux et de tester leur efficacité de conversion d'énergie. Une façon de le faire est de mesurer leur « efficacité quantique interne », ou leur capacité à générer des photons à partir d'électrons excités par un courant électrique ou un laser d'excitation. Les méthodes actuellement disponibles limitent la taille de l'échantillon qui peut être testé à la fois.

Le scientifique des matériaux avancés Kazunobu Kojima de l'Université de Tohoku et ses collègues ont conçu une approche modifiée de la spectroscopie de photoluminescence qui peut tester des échantillons plus grands.

La spectroscopie de photoluminescence standard détecte la quantité relative de lumière émise par un cristal semi-conducteur lorsqu'un laser d'excitation est dirigé dessus. L'énergie lumineuse est perdue par ces processus d'excitation et d'émission, les scientifiques ont donc expérimenté la spectroscopie de photoluminescence qui utilise une « sphère d'intégration » pour minimiser la perte de photons, les particules élémentaires de lumière.

Les sphères d'intégration collectent à la fois la lumière d'excitation et la lumière émise par un échantillon se trouvant à l'intérieur, où la lumière est réfléchie de manière diffuse à l'intérieur jusqu'à ce qu'elle soit uniformément dispersée. La distribution uniforme de la lumière améliore la précision et la répétabilité des tests d'efficacité quantique internes. Mais cela signifie que la taille du cristal testé est finalement limitée par la taille de la sphère.

Kojima et ses collègues ont découvert qu'ils pouvaient encore tester l'efficacité quantique interne d'un cristal lorsqu'il était placé directement à l'extérieur de la sphère, permettant d'utiliser des échantillons plus grands.

Ils ont effectué leurs tests sur un cristal semi-conducteur appelé nitrure de gallium, qui est couramment utilisé dans les LED et devrait être utilisé dans les appareils électroniques en raison de ses propriétés supérieures.

"Cette spectroscopie de 'photoluminescence omnidirectionnelle' peut être utilisée pour évaluer la qualité de cristaux de grande taille ou de plaquettes semi-conductrices, qui sont indispensables à la production en série d'appareils de puissance, " dit Kojima, ajoutant que cela pourrait conduire à des économies d'énergie et réduire les coûts de production.