La plupart des appareils électroniques contiennent actuellement des puces à base de silicium. D'autres matériaux semi-conducteurs présentent un potentiel, mais nécessitent des recherches supplémentaires pour devenir commercialement viables. Les chercheurs de la KAUST ont analysé en profondeur l'un de ces matériaux, les nanofils de nitrure de métal, ce qui les rapproche un peu plus de leur utilité.

Lorsque les semi-conducteurs à base de nitrure de métal sont disposés en fils de taille nanométrique, ils deviennent très sensibles à la lumière, ouvrant des possibilités pour l'électronique optique. Un défi notable cependant est que, bien que les nanofils de nitrure de métal fonctionnent bien à basse température, les effets thermiques peuvent grandement affecter leurs performances à température ambiante. Pour résoudre ce problème, Nasir Alfaraj avec son doctorat. le superviseur Xiaohang Li et ses collègues de KAUST ont réalisé l'étude la plus détaillée à ce jour sur ces effets thermiques.

Les chercheurs ont préparé des nanofils à base de nitrure de gallium (GaN) dans une structure p-i-n - un sandwich avec des couches de versions dites de type p et de type n du semi-conducteur entourant une couche non altérée. Les semi-conducteurs de type N sont dopés avec des matériaux qui fournissent des électrons supplémentaires, tandis que les types p sont dopés avec des matériaux avec moins d'électrons, laissant des "trous" dans la structure cristalline. Les électrons et les trous agissent comme des porteurs de charge, donnant aux dispositifs semi-conducteurs leurs propriétés électroniques utiles.

"Les nanofils p-i-n à base de GaN conviennent à la fabrication d'atténuateurs de signaux, commutateurs numériques haute fréquence et photodétecteurs haute performance, " dit Alfaraj. " Pourtant, leur performance est affectée négativement lorsque les électrons et les trous se recombinent, particulièrement proche de la température ambiante."

Plus précisement, lorsqu'un champ électrique agit à travers un nanofil, l'équilibre des électrons et des trous peut être affecté, pomper la chaleur de l'appareil sous forme de rayonnement thermique. Les appareils agissent efficacement comme des mini-réfrigérateurs, et leurs performances diminuent à mesure qu'ils refroidissent.

Pour quantifier cet effet, Alfaraj et ses collègues ont dirigé un laser titane-saphir sur leurs nanofils et mesuré les émissions photoluminescentes qui sortaient de l'échantillon. Ils ont ensuite pu calculer « l'entropie photo-induite » du système :une quantité thermodynamique qui représente l'indisponibilité de l'énergie d'un système pour la conversion en travail due à la réfrigération par luminescence.

À des températures de système supérieures à 250 K, les processus de recombinaison non radiative électron-trou deviennent dominants – les électrons tombent dans les trous, provoquant une augmentation de l'entropie photoinduite et réduisant les performances de l'appareil.

"Nous prévoyons d'étudier l'entropie photoinduite dans d'autres matériaux, tels que les nanofils d'aluminium-nitrure de gallium et d'oxyde de zinc, " a déclaré Alfaraj. " Nous allons également comparer différents diamètres de nanofils et étudier d'autres structures, tels que les films minces."

Ces études aideront les ingénieurs à fabriquer des dispositifs à nanofils en métal-nitrure qui sont thermiquement stables et adaptés à un usage quotidien.