Le nitrure de bore hexagonal, un cristal à la surprenante lumière ultraviolette
Le nitrure de bore hexagonal (hBN) émet une lumière ultraviolette avec une intensité inhabituellement élevée pour un semi-conducteur indirect. Cette apparente contradiction a finalement été expliquée par la nature particulière des excitons, dévoilée tant par des mesures quantitatives que par leur modélisation.
L’émission de lumière des matériaux semi-conducteurs repose sur la bande d’énergie interdite de leurs électrons. Cet intervalle de valeurs d’énergie, qu’ils ne peuvent pas prendre, est délimité par la bande de conduction et la bande de valence. Si les extrémités de ces deux bandes sont alignées sur un même vecteur d’onde des électrons, on parle de semi-conducteur direct. Si elles sont décalées, il est à l’inverse dit indirect. Les paires électrons-trous, issues de l’excitation d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction, forment des quasi-particules éphémères appelées excitons. Dans les semi-conducteurs directs, ces paires électrons-trous ont une grande chance d’émettre des photons. Ils sont donc naturellement prisés pour la fabrication de diodes électroluminescentes et de lasers.
Les semi-conducteurs indirects ne peuvent quant à eux émettre de photon que si un phonon – qui correspond à un mode d’excitation du réseau cristallin – est aussi émis, ce qui réduit drastiquement leur rendement lumineux, réduisant par là même significativement son potentiel d’applications. Or, le nitrure de bore hexagonal (hBN), un semi-conducteur indirect de structure lamellaire apparentée au graphite, remet en question ces faits établis.