Des cellules solaires aux capteurs optoélectroniques en passant par les lasers et les dispositifs d'imagerie, de nombreuses technologies de semi-conducteurs d'aujourd'hui reposent sur l'absorption de la lumière. L'absorption est particulièrement critique pour les structures de taille nanométrique à l'interface entre deux barrières énergétiques appelées puits quantiques, dans lequel le mouvement des porteurs de charge est confiné à deux dimensions. Maintenant, pour la première fois, une loi simple d'absorption de la lumière pour les semi-conducteurs 2D a été démontrée.

Travailler avec des membranes ultrafines de l'arséniure d'indium semi-conducteur, une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) a découvert une unité quantique d'absorption de photons, qu'ils ont surnommé "A Q , " qui devrait être général à tous les semi-conducteurs 2D, y compris les semi-conducteurs composés de la famille III-V qui sont privilégiés pour les films solaires et les dispositifs optoélectroniques. Cette découverte fournit non seulement un nouvel aperçu des propriétés optiques des semi-conducteurs 2D et des puits quantiques, il devrait également ouvrir des portes à de nouvelles technologies optoélectroniques et photoniques exotiques.

"Nous avons utilisé des membranes autonomes en arséniure d'indium jusqu'à trois nanomètres d'épaisseur comme système de matériau modèle pour sonder avec précision les propriétés d'absorption des semi-conducteurs 2D en fonction de l'épaisseur de la membrane et de la structure de la bande d'électrons, " dit Ali Javey, chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie (UC) Berkeley. "Nous avons découvert que l'amplitude de l'absorption progressive dans ces matériaux est indépendante de l'épaisseur et des détails de la structure de la bande."

Javey est l'un des deux auteurs correspondants d'un article décrivant cette recherche dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ). L'article s'intitule "Quantum d'absorption optique dans les semi-conducteurs bidimensionnels". Eli Yablonovitch, un ingénieur électricien qui détient également des nominations conjointes avec Berkeley Lab et UC Berkeley, est l'autre auteur correspondant.

Des travaux antérieurs ont montré que le graphène, une feuille de carbone bidimensionnelle, a une valeur universelle d'absorption de la lumière. Javey, Yablonovitch et leurs collègues ont maintenant découvert qu'une loi généralisée similaire s'applique à tous les semi-conducteurs 2D. Cette découverte a été rendue possible par un procédé unique que Javey et son groupe de recherche ont développé dans lequel des films minces d'arséniure d'indium sont transférés sur un substrat optiquement transparent, dans ce cas le fluorure de calcium.

"Cela nous a fourni des membranes ultrafines d'arséniure d'indium, seulement quelques cellules unitaires d'épaisseur, qui absorbent la lumière sur un substrat qui n'absorbe pas de lumière, " dit Javey. " Nous avons ensuite pu étudier les propriétés d'absorption optique de membranes dont l'épaisseur variait de trois à 19 nanomètres en fonction de la structure et de l'épaisseur de la bande. "

En utilisant les capacités de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) de Beamline 1.4.3 à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, une installation nationale des utilisateurs du DOE, Javey, Yablonovitch et leurs co-auteurs ont mesuré l'amplitude de l'absorption de la lumière lors de la transition d'une bande électronique à l'autre à température ambiante. Ils ont observé une augmentation progressive discrète à chaque transition des membranes d'arséniure d'indium avec un A Q valeur d'environ 1,7 pour cent par étape.

"Cette loi d'absorption semble être universelle pour tous les systèmes semi-conducteurs 2D, ", déclare Yablonovitch. "Nos résultats ajoutent à la compréhension de base des interactions électron-photon sous fort confinement quantique et fournissent un aperçu unique de l'utilisation des semi-conducteurs 2D pour de nouvelles applications photoniques et optoélectroniques."