Le développement de dispositifs optoélectroniques innovants (LED, détecteurs) repose sur la maîtrise de nanostructures complexes. Comprendre le couplage entre les déformations mécaniques internes et les propriétés d'émission de lumière est un défi majeur pour optimiser leurs performances. Les méthodes classiques, comme la microscopie électronique, présentent souvent des limitations, notamment dues à la nécessité d'amincir l'échantillon, des effets de projection et d'un champ de vision restreint. Cette étude propose une approche multimodale non destructive utilisant des rayons X synchrotron pour sonder ces propriétés au cœur même de la matière.
Les chercheurs du
CEA-Irig/MEM/NRX ont utilisé une sonde de rayons X sub-micrométrique (300x300 nm2) sur la ligne française de lumière BM32 de l'ESRF pour analyser simultanément la structure et la lumière émise par des micro-fils cœur-coquille InGaN/GaN. Grâce à la
micro-diffraction Laue* et à la luminescence excitée par rayons X (XEOL), ils ont mesuré avec une excellente précision, et de manière indépendante, les déformations internes du cœur et de la coquille en réalisant une cartographie complète du
tenseur déviatorique*. Une analyse automatisée, permettant de traiter des dizaines de milliers d'images de diffraction X et de spectres de luminescence, a révélé un gradient de composition d'indium dans les
puits quantiques* (de 10% au sommet à 8% à la base), ce qui déplace la couleur émise du bleu vers l'UV. Ces mesures, confirmées par des simulations numériques, permettent de lier directement la morphologie du fil à sa performance lumineuse.
© CEA-Irig/MEM/NRX
Figure : Schéma des microfils de GaN avec des puits quantiques multiples à cœur–coquille InₓGa₁₋ₓN/GaN situés en partie supérieure de la structure. Cartographies obtenues par micro-diffraction de Laue (composante de déformation εxy), XEOL - fenêtres 450–490 nm et 355–375 nm-, fluorescence X (Ga Kα) et MEB.
Cet original développement expérimental au niveau international, réalisé sur la ligne française de lumière BM32 à l'ESRF (Grenoble) avec le nouvel instrument LaueMax, offre une caractérisation structurale et optique non destructive de nanostructures compatible avec une analyse haut-débit. Cette approche innovante ouvre la voie à une conception optimisée de futurs dispositifs optoélectroniques ultra-efficaces.
hétérostructures de nitrure*: empilement de plusieurs matériaux semi-conducteurs à base de nitrures de gallium (GaN), d'aluminium (AlN), et d'indium (InN). Le design des interfaces permet d'obtenir des propriétés nouvelles comme le confinement d'électrons dans une dimension (formation de puits quantiques), la création de gaz d'électrons bidimensionnels ou encore un meilleur contrôle du courant et de la lumière.
luminescence* : émission de lumière à la suite d'une excitation non thermique. En XEOL, on excite avec les rayons X, en cathodoluminescence avec des électrons et en photoluminescence avec des photons.
micro-fils InGaN/GaN* : structures micrométriques en forme de fils constituées de couches empilées de nitrure d'indium-gallium et de nitrure de gallium, qui émettent, détectent ou modulent la lumière. Elles peuvent être sous des géométries cœur-coquille ou longitudinales.
micro-diffraction Laue* : technique de diffraction des rayons X utilisant un faisceau focalisé polychromatique pour analyser localement l'orientation et les déformations d'un cristal à l'échelle micrométrique.
tenseur déviatorique* : permet de décrire les cisaillements de la maille atomique d'un matériau.
puits quantiques* : couche de matériau semi-conducteur (ex. : InGaN) prise en sandwich entre deux couches de matériau semi-conducteur « barrières » (ex. : GaN), confinant les électrons dans une dimension et entraînant une quantification de leurs niveaux d'énergie. L'une des principales conséquences est une modification des propriétés optiques (efficacité des LED, couleur de la lumière émise, …).
Tutelles UMR : MEM/NRX : CEA, Univ. Grenoble Alpes (UGA); PheliQS/NPSC : CEA, UGA, Grenoble INP - UGA.
Financements : Agence Nationale de la Recherche (Projet MAGNIFIX), France 2030 (PEPR-DIADEM-ESRF), PTC CEA Lumix.
Collaborations : CNRS (Institut Néel), European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble). Ligne française F-CRG IF BM32 (CEA, CNRS).