Holographie électronique des matériaux pour l'optoélectronique sous excitation lumineuse – ECHOMELO

Les champs électriques et magnétiques des matériaux semiconducteurs nanostructurés sont affectés par l’absorption de la lumière. Les photons absorbés créent des porteurs de charges qui induisent des changements du champ électrique local. Par exemple, dans les hétérostructures III-N utilisées pour les diodes électroluminescentes (LED), le champ électrique interne résultant de l’effet Stark quantique est écranté par l’absorption de lumière. Dans les cellules solaires à base de Cu(In,Ga)NSe (CIGS), la lumière induira un champ électrique à travers une hétérojonction. Ces effets ont été largement étudiés à l’échelle macroscopique et mésoscopique. Cependant, le comportement des matériaux nanostructurés sous excitation lumineuse est gouverné par les variations de leurs propriétés structurelles, telles que la densité de défauts, les contraintes, les inhomogénéités chimiques, le confinement des porteurs ou les interfaces. Donc, étudier les effets de la lumière à l’échelle atomique est fondamental pour comprendre, caractériser et optimiser leurs propriétés optiques. Cartographier l’absorption de la lumière à l’échelle atomique augmenterait significativement notre connaissance de ces nanostructures optiquement actives.
A cause de leur longueur d’onde picométrique, l’imagerie par électrons rapides n’est pas limitée par la diffraction et est utilisé pour observer les structures atomiques. Différentes méthodes basées sur l’excitation à base d’électrons sont utilisées pour étudier les nanostructures optiquement actives. Par exemple, la spectroscopie par cathodoluminescence (CL) mesure la réponse optique de ces matériaux au nanomètre. Elle a été utilisé pour étudier le rôle des défauts et de la polarité dans la luminescence des nanofils III-V, ainsi que les effets de joint de grain pour la diffusion des porteurs dans les matériaux CIGS. Cependant, la cathodoluminescence n’est pas encore capable de donner une mesure de certaines propriétés optiques fondamentales, telles que l’efficacité quantique, les effets de saturation, et le spectre d’absorption. Toutes ces propriétés sont intensivement étudiées avec la spectroscopie par photoluminescente (PL) au-dessus de la limite de diffraction. L’holographie électronique est communément utilisée pour imager le champ électrique et magnétique de nanoobjets et plusieurs études ont été faites sur des hétérostructures III-N et des cellules solaires, mais jusqu’à maintenant elle n’a pas été utilisée pour étudier les effets des excitations optiques à l’échelle atomique.
Dans ECHOMELO, nous proposons de déterminer à l’échelle du nanomètre le lien entre structure atomique et efficacité d’absorption de la lumière, un des paramètre clefs pour beaucoup de nanostructures semi-conductrices. Nous allons étudier l’absorption de la lumière à l’échelle du nanomètre en combinant sous excitation lumineuse holographie électronique et spectroscopie par luminescence (CL+PL). Pour cela, nous développerons un système d’injection de lumière dans un microscope électronique à transmission conçu pour l’holographie électronique. Deux sortes de matériaux seront étudiés : les nanofils III-N, plus particulièrement les hétérostructures GaN/InGaN et AlN/GaN, et les cellules solaires à base de CIGS. Chacun représente une classe de matériaux qui bénéficieront grandement de la cartographie de l’absorption de la lumière à l’échelle du nanomètre. En effet, les nanofils III-N sont connus pour leur fort champ électrique interne (2 MV/cm, ie 100 mV par plan atomique) ainsi que pour la grande sensibilité de ce champ aux porteurs. Dans le cas de l’excitation lumineuse de cellule solaire non-contactée, la tension en circuit-ouvert peut être dérivée de l’accumulation des porteurs.