Vers des LED efficaces et sans mercure

Publié par Adrien le 24/05/2020 à 09:00
Source: CEA IRIG
Alors que le mercure devient un matériau à bannir hautement toxique pour le système nerveux, des chercheurs de l'Irig [collaboration] réalisent une avancée significative vers des diodes électro-luminescentes efficaces, sans mercure et à ultraviolets profonds utilisées dans le traitement de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...), la désinfection (La désinfection est une opération visant à prévenir une infection. Il s'agit donc d'une action préventive, contrairement à l'antisepsie qui est une action curative, mais les méthodes...), la détection des faux billets etc...

La convention internationale de Minamata, qui est entrée en application le 16 août 2017, a pour objectif de proscrire à terme l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) du mercure et des dispositifs à base de cet élément hautement toxique pour le système nerveux (Le système nerveux est un système en réseau formé des organes des sens, des nerfs, de l'encéphale, de la moelle...). Ceci concerne les lampes à mercure qui constituent les sources traditionnelles de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...) UV pour une large gamme d'applications incluant le traitement de l'eau et de l'air, la désinfection, le blanchiment du psoriasis (Le psoriasis est une maladie de la peau d'origine mal connue, en partie génétique. Cette affection dermatologique touche 1 à 3 % de la population mondiale, aussi bien chez les femmes que chez les hommes.), la détection des faux billets, l'agriculture etc... Ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) affecte de façon favorable le marché en forte croissance des diodes électroluminescentes (LED) dans la gamme de l'UV et stimule fortement la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) et le développement dans ce secteur. L'irruption récente de la Covid-19 et la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de...) d'émergence d'autres virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus...) hautement pathogènes dans le futur, rendent particulièrement urgente la recherche de solutions "sans mercure" efficaces et faciles à mettre en oeuvre pour la désinfection des surfaces par irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha, bêta,...) aux UV-C.


À gauche, structure d'une LED "standard".
À droite, structure d'une LED à nanofils (brevetée) tirant parti du dopage de type p réalisé pour les nanofils d'AlN.

Les LED UV sont élaborées à partir de nitrures d'éléments III (troisième colonne du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique des éléments), soit le GaN, l'AlN et leur alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) AlGaN. Avec l'interdiction progressive du mercure, un intérêt grandissant s'exprime pour ce type de LED au niveau international, illustré par le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) rapidement croissant des acteurs du domaine. Cependant, l'efficacité quantique externe de la plupart des LED UV produites reste faible.

Un nombre très réduit d'acteurs a pu démontrer une efficacité supérieure à 10 %, mais la plupart des dispositifs dans la gamme de l'UV-C utilisée pour des applications sanitaires (230-280 nm) présentent une efficacité inférieure à 5 %. Les principales causes de cette réduction de l'efficacité pour les longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) de plus en plus courtes (atteintes en augmentant la fraction molaire d'AlN dans l'alliage AlGaN) sont attribuées à la présence de défauts cristallins tels que les "dislocations" et à la recombinaison non radiative associée, autrement dit les "pertes" optiques, si la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) des dislocations excède 108/cm2. Cette limitation est également liée à des limites d'extraction de la lumière et aux difficultés du dopage de type p pour une fraction molaire d'AlN croissante, qui augmentent la résistance électrique et rendent le contact électrique de la LED de plus en plus difficile à réaliser.

C'est dans ce contexte que des chercheurs de l'Irig et de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics...) Néel ont récemment obtenu un résultat spectaculaire en démontrant que l'incorporation d'une faible fraction d'indium (L'indium est un élément chimique, de symbole In et de numéro atomique 49. C'est un métal gris brillant, à bas point de fusion...) dans l'AlN conjointement au magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.) (qui est le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) de dopage) conduisait à une augmentation considérable de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de magnésium incorporée et donc du niveau de dopage de type p des nanofils d'AlN utilisés. Le fait d'utiliser des nanofils, et non des couches minces, facilite en outre la relaxation des contraintes générées par le dopant. Ce résultat est en rupture avec l'état de l'art. Il a été confirmé par la réalisation d'une jonction p-n à nanofils d'AlN et ouvre la voie à la réalisation d'un nouveau type de LED UV-C dont le procédé a été breveté. Il laisse également envisager la réalisation de LED hybrides pour l'UV-C, approche également brevetée par les chercheurs.

Notes:

L'efficacité quantique externe est le rapport entre le nombre de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point...) extraits d'une LED par rapport au nombre de charges injectées.

Le dopage est l'ajout à un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron...) d'impuretés en petites quantités afin de modifier ses propriétés de conductivité. Il existe deux types de dopage. Le dopage de type n consiste à augmenter la densité d'électrons. Le dopage de type p permet au contraire de réduire la densité électronique, et de créer des électrons manquants ou "trous", qui se comportent comme des particules positivement chargées.

Références:

Siladie AM, Jacopin G, Cros A, Garro N, Robin E, Caliste D, Pochet P, Donatini F, Pernot J and Daudin B.
Mg and In codoped p‐type AlN nanowires for pn junction realization.
Nano Letters, 2019.
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