Comment la spectroscopie électronique mesure les « trous » d’excitons


Les semi-conducteurs sont omniprésents dans la technologie moderne, permettant ou empêchant le flux d’électricité. Afin de comprendre le potentiel des semi-conducteurs bidimensionnels pour les futures technologies informatiques et photovoltaïques, des chercheurs des universités de Göttingen, Marburg et Cambridge ont étudié le lien qui se crée entre les électrons et les trous contenus dans ces matériaux. En utilisant une méthode spéciale pour rompre la liaison entre les électrons et les trous, ils ont pu obtenir un aperçu microscopique des processus de transfert de charge à travers une interface semi-conductrice. Les résultats ont été publiés dans Avancées scientifiques.

Lorsque la lumière éclaire un semi-conducteur, son énergie est absorbée. En conséquence, les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement se combinent dans le semi-conducteur pour former des paires appelées excitons. Dans les semi-conducteurs bidimensionnels les plus modernes, ces excitons ont une énergie de liaison extraordinairement élevée. Dans leur étude, les chercheurs se sont lancés le défi d’investiguer le trou de l’exciton. Comme l'explique le physicien et premier auteur Jan Philipp Bange de l'Université de Göttingen : « Dans notre laboratoire, nous utilisons la spectroscopie de photoémission pour étudier comment l'absorption de la lumière dans les matériaux quantiques conduit à des processus de transfert de charge. Jusqu'à présent, nous nous sommes concentrés sur les électrons qui font partie de la paire électron-trou, que nous pouvons mesurer à l'aide d'un analyseur d'électrons. Jusqu'à présent, nous n'avions aucun moyen d'accéder directement aux trous eux-mêmes. Nous nous sommes donc intéressés à la question de savoir comment caractériser non juste l'électron de l'exciton mais aussi son trou.

Pour répondre à cette question, les chercheurs, dirigés par le Dr Marcel Reutzel et le professeur Stefan Mathias de la faculté de physique de l'université de Göttingen, ont utilisé un microscope spécial pour photoélectrons en combinaison avec un laser de haute intensité. Au cours du processus, la rupture d’un exciton entraîne une perte d’énergie dans l’électron mesuré dans l’expérience. Reutzel explique : « Cette perte d'énergie est caractéristique de différents excitons, en fonction de l'environnement dans lequel l'électron et le trou interagissent. » Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé une structure composée de deux semi-conducteurs atomiquement minces différents pour montrer que le trou de l’exciton se transfère d’une couche semi-conductrice à l’autre, à la manière d’une cellule solaire. L'équipe du professeur Ermin Malic de l'université de Marburg a pu expliquer ce processus de transfert de charge à l'aide d'un modèle décrivant ce qui se passe au niveau microscopique.

Mathias résume : « À l'avenir, nous souhaitons utiliser la signature spectroscopique de l'interaction entre électrons et trous pour étudier de nouvelles phases dans des matériaux quantiques à des échelles de temps et de longueur ultra-courtes. De telles études peuvent constituer la base du développement de nouvelles technologies et nous j'espère pouvoir y contribuer à l'avenir. »

Cette recherche a bénéficié du financement de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) pour les centres de recherche collaboratifs « Contrôle à l'échelle atomique de la conversion d'énergie » et « Mathématiques de l'expérience » à Göttingen et « Structure et dynamique des interfaces internes » à Marburg.

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