Saviez-vous que les cristaux forment la base de l'éblouissement bleu glacial pénétrant des phares de voiture et pourraient être fondamentaux pour l'avenir de la technologie de l'énergie solaire ?

Les cristaux sont au cœur des diodes. Pas le genre que vous pourriez trouver dans le quartz, formé naturellement, mais fabriqués pour former des alliages, comme le nitrure d'indium et de gallium ou InGaN. Cet alliage forme la région électroluminescente des LED, pour un éclairage dans le domaine visible, et des diodes laser (LD) dans la gamme bleu-UV.

Recherche pour fabriquer de meilleurs cristaux, avec une haute qualité cristalline, efficacité d'émission lumineuse et luminosité, est également au cœur des études menées à l'Arizona State University par le chercheur scientifique Alec Fischer et le doctorant Yong Wei dans le groupe du professeur Fernando Ponce au département de physique.

Dans un article récemment publié dans la revue Lettres de physique appliquée , le groupe ASU, en collaboration avec une équipe scientifique dirigée par le professeur Alan Doolittle au Georgia Institute of Technology, vient de révéler l'aspect fondamental d'une nouvelle approche de la croissance de cristaux d'InGaN pour diodes, qui promet de faire évoluer la technologie des cellules solaires photovoltaïques vers des efficacités record.

Les cristaux d'InGaN sont développés sous forme de couches dans un arrangement de type sandwich sur des substrats de saphir. Typiquement, les chercheurs ont découvert que la séparation atomique des couches varie; une condition qui peut conduire à des niveaux élevés de tension, des ruptures de croissance, et les fluctuations de la composition chimique de l'alliage.

"Être capable d'atténuer la contrainte et d'augmenter l'uniformité dans la composition d'InGaN est très souhaitable, " dit Ponce, "mais difficile à réaliser. La croissance de ces couches est similaire à essayer d'assembler en douceur deux nids d'abeilles avec des tailles de cellules différentes, où la différence de taille perturbe un arrangement périodique des cellules."

Comme indiqué dans leur publication, les auteurs ont développé une approche où des impulsions de molécules ont été introduites pour obtenir la composition d'alliage souhaitée. La méthode, développé par Doolittle, est appelée épitaxie modulée par le métal. « Cette technique permet une croissance atomique couche par couche du matériau, " dit Ponce.

L'analyse de l'arrangement atomique et de la luminosité à l'échelle nanométrique a été réalisée par Fischer, l'auteur principal de l'étude, et Wei. Leurs résultats ont montré que les films cultivés avec la technique d'épitaxie avaient des caractéristiques presque idéales et ont révélé que les résultats inattendus provenaient de la relaxation de contrainte au niveau de la première couche atomique de croissance cristalline.

« Le groupe de Doolittle a pu assembler un cristal final qui est plus uniforme et dont les structures en treillis correspondent… résultant en un film qui ressemble à un cristal parfait, " dit Ponce. " La luminosité était aussi celle d'un cristal parfait. Quelque chose que personne dans notre domaine ne pensait possible."

L'élimination par l'ASU et l'équipe de Georgia Tech de ces deux défauts apparemment insurmontables (composition non uniforme et alignement de réseau non adapté) signifie finalement que des LED et des produits photovoltaïques solaires peuvent désormais être développés avec des performances beaucoup plus élevées, performances efficaces.

« Alors que nous sommes encore loin des records de cellules solaires, cette percée pourrait avoir un impact immédiat et durable sur les dispositifs électroluminescents et pourrait potentiellement faire de la deuxième famille de semi-conducteurs la plus abondante, III-Nitrures, un véritable acteur dans le domaine des cellules solaires, " dit Doolittle. L'équipe de Doolittle à la Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering comprenait également Michael Moseley et Brendan Gunning. Un brevet est en instance pour la nouvelle technologie.