Une nouvelle famille d’alliages pour l’optoélectronique

L'optoélectronique est le domaine de l'électronique relatif à l'utilisation de phénomènes optiques pour produire ou détecter des signaux. Cela implique la conversion de l'énergie lumineuse (photons) en énergie électrique (électrons) et vice versa. Les dispositifs les plus connus sont les diodes électroluminescentes (LED) qui émettent de la lumière lorsqu'un courant électrique les traverse. Les photodétecteurs détectent la lumière et la convertissent en un signal électrique (comme dans les cellules solaires ou les capteurs d'image) et les lasers à semi-conducteurs produisent de la lumière cohérente via un processus électroluminescent.

Les semi-conducteurs classiques couramment employés en électronique comme le silicium ou le germanium possèdent une structure cubique qui limite leur capacité à émettre de la lumière. Il est donc impossible de pouvoir espérer les insérer dans des dispositifs optoélectroniques. Leur structure hexagonale, beaucoup plus rare, présente au contraire des propriétés optiques nettement améliorées. Jusqu’ici, stabiliser une telle structure dans des alliages GeSn était jugé impossible : germanium et étain réagissent peu à pression ambiante, et l’étain n’adopte pas naturellement une structure hexagonale.

Une équipe internationale impliquant des chercheurs de l’Unité matériaux et transformations (CNRS/Université de Lille/INRAE/Centralelille) et du Laboratoire d’Informatique de Grenoble (CNRS/UGA) sont parvenus à contourner ces obstacles en soumettant des mélanges GeSn à des pressions allant jusqu’à 10 gigapascals et à des hautes températures jusqu’à 1500 degrés Kelvin. Dans ces conditions, les deux éléments réagissent. À leur retour à pression ambiante, les échantillons obtenus pour des teneurs en étain inférieures à 21 % présentent une structure hexagonale, avec trois polytypes hexagonaux distincts identifiés.

Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle ingénierie des propriétés optiques des alliages GeSn en modulant leur composition et leur structure cristalline. Elle pourrait permettre la fabrication de lasers, capteurs infrarouges et composants photoniques directement compatibles avec les technologies industrielles actuelles. Au-delà du système GeSn, la stratégie employée – activer la réactivité par la pression puis contrôler la structure par la composition – pourrait permettre d’explorer d’autres matériaux jusqu’ici inaccessibles. Ces résultats sont publiés dans le Journal of the American Chemical Society.

Rédacteur : CCdM