Une équipe de recherche dirigée par des chimistes de l'Université de Californie à Irvine a découvert une manière jusqu'alors inconnue d'interaction de la lumière avec la matière, une découverte qui pourrait conduire à de meilleurs systèmes d'énergie solaire, à des diodes électroluminescentes, à des lasers à semi-conducteurs et à d'autres avancées technologiques. /P>

Dans un article publié récemment dans la revue ACS Nano , les scientifiques, rejoints par des collègues de l'Université fédérale de Kazan en Russie, expliquent comment ils ont appris que les photons peuvent obtenir une impulsion substantielle, similaire à celle des électrons dans les matériaux solides, lorsqu'ils sont confinés dans des espaces nanométriques dans le silicium.

"Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur Terre et constitue l'épine dorsale de l'électronique moderne. Cependant, étant un semi-conducteur indirect, son utilisation en optoélectronique a été entravée par de mauvaises propriétés optiques", a déclaré l'auteur principal Dmitry Fishman, professeur adjoint de UC Irvine. chimie.

Il a déclaré que même si le silicium n'émet pas naturellement de lumière sous sa forme massive, le silicium poreux et nanostructuré peut produire une lumière détectable après avoir été exposé au rayonnement visible. Les scientifiques sont conscients de ce phénomène depuis des décennies, mais les origines précises de l'illumination ont fait l'objet de débats.

"En 1923, Arthur Compton a découvert que les photons gamma possédaient une quantité de mouvement suffisante pour interagir fortement avec les électrons libres ou liés. Cela a contribué à prouver que la lumière avait à la fois des propriétés d'onde et de particule, une découverte qui a valu à Compton de recevoir le prix Nobel de physique en 1927." dit Fishman.

"Dans nos expériences, nous avons montré que l'impulsion de la lumière visible confinée aux cristaux de silicium à l'échelle nanométrique produit une interaction optique similaire dans les semi-conducteurs."

Pour comprendre l’origine de cette interaction, il faut revenir au début du XXe siècle. En 1928, le physicien indien C.V. Raman, lauréat du prix Nobel de physique en 1930, a tenté de répéter l'expérience Compton avec la lumière visible. Cependant, il rencontra un obstacle redoutable :la disparité substantielle entre l'impulsion des électrons et celle des photons visibles.

Malgré cet échec, les recherches de Raman sur la diffusion inélastique dans les liquides et les gaz ont conduit à la révélation de ce qui est maintenant reconnu comme l'effet Raman vibrationnel, et la spectroscopie - une méthode cruciale pour les études spectroscopiques de la matière - est désormais connue sous le nom de diffusion Raman. /P>

"Notre découverte de l'impulsion photonique dans le silicium désordonné est due à une forme de diffusion Raman électronique", a déclaré le co-auteur Eric Potma, professeur de chimie à l'UC Irvine. "Mais contrairement au Raman vibrationnel conventionnel, le Raman électronique implique différents états initial et final pour l'électron, un phénomène auparavant uniquement observé dans les métaux."

Pour leurs expériences, les chercheurs ont produit dans leur laboratoire des échantillons de verre de silicium dont la clarté variait de l'amorphe au cristal. Ils ont soumis un film de silicium de 300 nanomètres d'épaisseur à un faisceau laser à onde continue étroitement focalisé qui a été scanné pour écrire un réseau de lignes droites.

Dans les zones où la température ne dépassait pas 500 degrés Celsius, le procédé a abouti à la formation d’un verre réticulé homogène. Dans les zones où la température dépassait 500 °C, un verre semi-conducteur hétérogène s'est formé. Ce « film en mousse légère » a permis aux chercheurs d'observer comment les propriétés électroniques, optiques et thermiques variaient à l'échelle nanométrique.

"Ce travail remet en question notre compréhension de l'interaction entre la lumière et la matière, soulignant le rôle critique de l'impulsion des photons", a déclaré Fishman.

"Dans les systèmes désordonnés, l'adaptation du moment électron-photon amplifie l'interaction, un aspect auparavant associé uniquement aux photons gamma à haute énergie dans la diffusion Compton classique. En fin de compte, nos recherches ouvrent la voie à l'élargissement des spectroscopies optiques conventionnelles au-delà de leurs applications typiques en analyse chimique. , comme la spectroscopie Raman vibrationnelle traditionnelle dans le domaine des études structurelles - les informations qui devraient être intimement liées à l'impulsion des photons."

Potma a ajouté :« Cette nouvelle propriété de la lumière ouvrira sans aucun doute un nouveau domaine d'applications en optoélectronique. Le phénomène augmentera l'efficacité des dispositifs de conversion d'énergie solaire et des matériaux émetteurs de lumière, y compris les matériaux qui étaient auparavant considérés comme non adaptés à l'émission de lumière. ."

Plus d'informations : Sergey S. Kharintsev et al, Diffusion Raman électronique activée par photon-impulsion dans du verre de silicium, ACS Nano (2024). DOI :10.1021/acsnano.3c12666

Informations sur le journal : ACS Nano

Fourni par l'Université de Californie, Irvine