Section 03 Matière condensée : structures et propriétés électroniques

I. Semi-conducteurs

Il existe de nombreux semi-conducteurs (SC) aux structures variées. Certains sont présents à l'état naturel, d'autres ont été synthétisés par l'homme. Depuis plus d'un demi-siècle, de nombreux outils d'épitaxie et de nanostructuration ont été développés pour permettre leur élaboration, leur contrôle et la maîtrise de leurs propriétés. Ils sont à l'origine de développements innovants tant en physique fondamentale qu'en physique appliquée. Utilisés sous des formes différentes du matériau massif, ils permettent d'étudier la physique des systèmes électroniques à zéro dimension (boîte quantique), à une dimension (fil quantique) et à deux dimensions (puits quantique). Le contrôle de plus en plus poussé du confinement électronique et/ou optique, la maîtrise du couplage exciton/photon, ou de l'état de spin de l'électron permettent une compréhension fine de nombreux phénomènes en lien avec la physique mésoscopique, le nano-magnétisme, la spintronique, l'opto-mécanique, la nano-phononique, etc. Outre la compréhension de phénomènes physiques fondamentaux, certaines études peuvent aussi être motivées par leur potentiel d'applications.

A. Élaboration

En recherche expérimentale, il est indispensable de maîtriser la synthèse des matériaux sur lesquels les chercheurs étudient des phénomènes physiques complexes. La réalisation des échantillons à base de SC (matériaux, métamatériaux, nano-objets et dispositifs) est alors d'une importance capitale, tout comme leur caractérisation physique et leur modélisation. Pour obtenir les effets physiques recherchés, la combinaison croissance nano-structuration est devenue incontournable. Dans l'élaboration des nanostructures, boîtes, fils et puits quantiques, les études, avec notamment le développement des outils de nanoscience, conduisent à un contrôle toujours plus important de paramètres clés pour la compréhension des nouveaux effets physiques mis en jeu et l'intégration des nano-objets dans des dispositifs originaux : composition, cristallinité, dopage, contrainte et ingénierie de bande, organisation des nano-objets.

Les efforts se poursuivent pour briser les verrous technologiques inhérents aux SC à large bande interdite (ex : séléniures, oxydes). L'accent est porté sur l'obtention de substrats en accord de maille ainsi que de dopants des deux types (ex : le dopage de type n du diamant progresse malgré la difficulté intrinsèque d'incorporation du phosphore). De façon générale, le contrôle du dopage et de ses effets dans les nanostructures est source d'études variées. Certaines propriétés magnétiques de SC, améliorées par l'adjonction d'atome (ex : phosphore dans GaMnAs), continuent de susciter de l'intérêt en recherche fondamentale. L'élaboration de structures dites non polaires selon des directions de croissance inhabituelles (orthogonales à l'axe c dans les cristaux de structure wurtzite) élimine les forts champs piézo-électriques internes. La physique des boîtes quantiques (BQs) s'est élargie à un autre domaine spectral que le proche infra-rouge grâce à la réalisation de boîtes auto-organisées à l'interface de SC à large bande interdite par effet de contrainte ou par insertion le long de nano-fils.

Les nanofils quantiques SC sont réalisables par des méthodes de croissance « bottom-up ». L'étude des mécanismes de croissance localisée assistée par catalyseur (VLS : vapeur-solide-liquide, et ses dérivés) se poursuit dans les fils III-V, II-VI et des éléments IV. À titre d'exemple, la compréhension de la nucléation et de la coexistence de différentes phases cristallines dans un même fil a progressé. De nombreuses avancées, comme les structurations radiales et axiales, sont particulièrement encourageantes pour permettre des études physiques minutieuses et envisager des applications dans des domaines tels que le photovoltaïque.

Pour les SC organiques, la flexibilité permise par la chimie et les progrès réalisés dans la maîtrise des structures (macro)-moléculaires et des assemblages supramoléculaires offrent de nouvelles opportunités permettant de mieux comprendre leurs propriétés et celles de leurs interfaces avec d'autres matériaux et ainsi de faire émerger de nouvelles fonctionnalités. Les méthodes de chimie douce pour la fabrication de nanoparticules colloïdales s'étendent maintenant à plusieurs types de matériaux SC (ex : II-VI, III-V, composés ternaires). La surface de ces particules est utilisée comme plate-forme pour l'introduction de fonctionnalités. Depuis peu, les ligands de surface inorganiques permettent la stabilisation de ces nanoparticules avec une unique couche fine d'ions inorganiques (particules « quasi-nues ») qui augmente significativement la mobilité dans des couches minces constituées de nano-cristaux. Ce domaine interdisciplinaire présente des applications prometteuses (ex : biophysique, santé, optique quantique, photovoltaïque).

L'enthousiasme suscité par la découverte du graphène reste fort étant donné son potentiel pour la physique fondamentale, et au-delà. La fabrication de ce matériau bidimensionnel à gap nul et à relation de dispersion linéaire est un enjeu majeur. Dans le but d'obtenir des échantillons de grande dimension, tout en contrôlant le dopage par l'action d'une grille, le nitrure de bore hexagonal est actuellement le substrat privilégié. Des études de croissance sont en cours pour maîtriser la réalisation de ce nouveau substrat pour le graphène.

Depuis peu, de nouvelles formes de matériaux 2D suscitent beaucoup d'intérêt, avec toutes les difficultés que leur fabrication implique par les procédés d'élaboration conventionnels que sont les approches « top-down » (ex : exfoliation) et « bottom-up ». Parmi eux, les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition de type MX2 (ex : MoS2). Lorsque le cristal massif est aminci jusqu'à une unique couche atomique, de nouvelles propriétés physiques émergent (cf. le graphène). Les SC MX2 vont permettre d'explorer la physique du spin et des vallées. De nouveaux domaines d'application commencent à voir le jour. Dans le cas de la spintronique et de l'information quantique, les isolants topologiques sont, eux aussi, des outils d'étude privilégiés (ex : Bi Sb, Bi2Se3, etc.). Des recherches permettant de surmonter les obstacles à leur fabrication sont nécessaires.

B. Vers de nouveaux dispositifs

Les composants modernes sont issus du développement de l'ingénierie de bande et de la physique fondamentale du confinement électronique (ex : lasers à cascade quantique). De nos jours, le contrôle de l'interaction électron-phonon est une thématique de recherche en plein essor dans le domaine du térahertz (THz), de la détection infra-rouge, ou encore du photovoltaïque à haut rendement.

La majeure partie des SC à large bande interdite (diamant, BN, SiC, ZnO, etc.) sont encore au stade de développement. Les plus avancés d'entre eux sont les nitrures d'élément III. Les transitions inter sous-bandes de leurs hétérostructures sont exploitées dans des émetteurs-détecteurs pour les télécommunications. Un effort particulier est porté sur les émetteurs dans le domaine du visible (ex : vert) et de nouveaux concepts sont proposés dans les composants de puissance.

Les études des propriétés physiques des microcavités planaires ont mis à jour une multitude d'effets remarquables : amplification paramétrique, multi-stabilité... Elles ouvrent la voie au développement d'une nouvelle gamme de composants optoélectroniques comme le laser à polaritons qui a un seuil laser plus faible que les lasers conventionnels, ou encore des transistors optiques.

Les SC ont également un rôle important à jouer dans le domaine des composants optiques avec, par exemple, la plasmonique. Ces dernières années, ils sont étudiés comme alternative aux métaux dont les applications sont limitées par leurs propriétés intrinsèques. L'émergence des méta-matériaux, qui sont des matériaux façonnables électriquement et magnétiquement par le contrôle de leur indice de réfraction, ouvre un nouveau champ d'applications.

Enfin, de nouvelles perspectives d'applications à bas coût des SC organiques sont apparues à côté du photovoltaïque ou de l'électronique imprimée, avec la démonstration du fonctionnement d'un circuit de calcul neuro-inspiré simple à base de memristors organiques.

C. Physique des nano objets

La réduction de la taille des objets SC permet d'étudier de nouveaux effets physiques. Leurs nano-objets sont le siège d'effets quantiques qui modifient leurs propriétés physiques intrinsèques. Parmi eux, les BQs à SC sont souvent comparées à des atomes artificiels. Elles ouvrent la voie, en milieu solide, à la maîtrise d'émetteurs de photons uniques, voire de photons indiscernables ou intriqués, ainsi qu'à des états pouvant servir de Qubits. Un autre intérêt des BQs porte sur le spin des électrons, la maîtrise optique de son orientation et le renforcement de la cohérence des états de spin par leur localisation. Une de leur limitation est la conservation d'une interaction avec la matrice environnante qui entraîne la perte de cohérence des excitations électroniques confinées dans ces BQs. Grâce à leur synthèse comme « tranche nanométrique » le long d'un nano-fil, les BQs sont mieux maîtrisées en termes de contrainte et de localisation. Elles présentent maintenant des propriétés robustes en température.

Les nano-cristaux SC ont atteint une maturité suffisante pour constituer des BQs permettant l'émission de photons uniques jusqu'à température ambiante. Les synthèses des nano-cristaux colloïdaux ont évolué récemment vers la réalisation de nano-plaquettes semi-conductrices qui présentent des caractéristiques d'émetteurs rapides (de l'ordre de la nanoseconde) suggérant une grande force d'oscillateur.

Les matériaux lamellaires, ou 2D (ex : MoS2, MoSe2) sont un cas limite de nano-objets avec une seule couche atomique. Ces matériaux aux aspects topologiques inhabituels sont étudiés pour comprendre leurs propriétés électroniques, optiques et spintroniques. L'originalité des vallées présentes dans leur structure de bandes a permis l'émergence d'un nouveau domaine appelé « valleytronics », qui est un nouveau type d'électronique.

Pour pousser à l'extrême la réduction de taille, la recherche s'oriente vers des centres de localisation produit par un ou deux atomes seulement (ex : centres NV dans le diamant, photo-stables à température ambiante). Leurs potentialités d'études physiques sont larges (ex : spin unique). Ils sont à la base de sources solides de photons uniques pour la cryptographie quantique ou de magnétomètres ultra sensibles.

D. Spin et magnétisme

La possibilité d'introduire des ions magnétiques individuels dans des BQs représente une piste vers un bloc élémentaire de mémoire magnétique. Initialement développé dans la filière II-VI avec du manganèse, ce champ d'étude inclut aujourd'hui les SC III-V (ex : InAs), ainsi que d'autres ions magnétiques tels que le cobalt, le nickel ou le chrome. La polarisation de l'ion magnétique est initialisée, manipulée puis sondée avec des méthodes optiques impliquant l'interaction avec un (des) exciton(s) photo-créé(s).

Les atomes formant une BQ présentent une polarisation nucléaire extrêmement stable dans le temps (jusqu'à quelques jours). Ils pourraient servir de plate-forme pour une spintronique nucléaire. Les études optiques des BQs et du pompage optique pour créer une polarisation nucléaire dynamique aboutissent aujourd'hui à des schémas de pompage optique permettant une Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) tout optique, sans utilisation de radiofréquences.

E. Couplage lumière matière

L'ingénierie et le contrôle de l'interaction lumière-matière structurent un grand nombre d'activités théoriques et expérimentales en matière condensée dans des systèmes où les degrés de liberté électroniques et électromagnétiques sont couplés : effet Purcell en régime de couplage faible, polaritons de microcavité en couplage fort, etc.

En micro- ou nano-structurant la matière, il est possible de modifier fortement les propriétés de la lumière, de la confiner, de la guider, ou encore de la ralentir. Ainsi les cristaux photoniques permettent de localiser fortement la lumière, de réaliser des nano-lasers de très bas seuil. Dérivés des cristaux photoniques, les méta-matériaux sont des matériaux artificiels qui possèdent une permittivité et perméabilité effectives, liées à leur nano-structuration sub-longueur d'onde. Des propriétés optiques qui n'existent pas dans la nature peuvent être implémentées (ex : permittivité et perméabilité négatives). Plusieurs communautés s'intéressent à ces objets, des micro-ondes à l'optique en passant par les THz. Ces dernières années, la plasmonique s'est développée de façon spectaculaire. Ce domaine consiste à utiliser les plasmons (excitations élémentaires dans les métaux) pour propager ou localiser le champ électromagnétique. Le couplage avec les plasmons permet de contrôler l'émission spontanée ou l'émission de lumière cohérente, d'induire des transferts radiatifs. Les études s'orientent aujourd'hui vers la plasmonique quantique, où notamment des applications pour des biocapteurs sont envisagées.

Le régime de couplage fort lumière-matière dans les cavités semi-conductrices donne naissance à des quasi-particules bosoniques nommées polaritons de cavité. Elles sont un système modèle pour l'étude des fluides quantiques et des condensats de Bose en présence de dissipation. Leurs interactions donnent lieu à de nombreux effets non linéaires comme la superfluidité, la nucléation de vortex, ou encore la bistabilité optique. Limitées à des températures cryogéniques dans GaAs, les recherches s'étendent vers la température ambiante grâce au développement récent de cavités ou de microfils dans des matériaux à large bande interdite.

Les excitons indirects ou dipolaires forment également un système intéressant pour générer des condensats de Bose dits « gris » car faiblement couplés à la lumière et présentant de fortes interactions. La compréhension de leur mécanisme de piégeage, de leur dynamique de spin et du contrôle de ce piégeage font l'objet d'études très actives.

Le contrôle déterministe de l'émission spontanée de BQs uniques en cavité permet de réaliser des sources ultra-brillantes de photons uniques indiscernables, ce qui commence à rendre possible des protocoles complexes d'information quantique tels que l'intrication entre deux Qubits distants, la téléportation...

F. Optomécanique et phononique

Ces dernières années, de nouvelles problématiques ont émergé en direction du couplage entre les propriétés optiques d'une part et les propriétés acoustiques ou mécaniques d'autre part. Par analogie avec le confinement des photons dans des microcavités optiques, la densité d'états des phonons a pu être façonnée dans des cavités phononiques de SC. L'ingénierie du couplage acousto-optique dans des cristaux ou méta-matériaux phononiques combiné à l'utilisation de lasers femto-secondes a aussi ouvert la voie au développement de l'acoustique picoseconde, permettant ainsi de transposer aux excitations acoustiques l'utilisation des techniques d'optique ultra-rapide et non-linéaire.

L'étude du couplage entre des résonateurs optique et mécanique a été initialement abordée dans la communauté de l'optique, à une échelle macroscopique, pour « refroidir » des miroirs dans des interféromètres. De nos jours, la miniaturisation des systèmes mécaniques est un enjeu fondamental dans le nouveau domaine des systèmes hybrides optomécaniques (voir aussi II.G pour la nano-électromécanique). Le large éventail des réalisations des matériaux SC de ces trente dernières années (micro-disques, micro-piliers, membranes de cristaux photoniques...) ouvre des perspectives de couplage mécanique-lumière. De manière générale, l'émergence de l'opto-mécanique ouvre des pistes pour combiner astucieusement, dans un même système, les couplages électron-photon et phonon-photon pour obtenir des états tripartites électron-photon-phonon et explorer de nouveaux effets physiques.