Juliette PLO – Effets de la purification isotopique et de l’empilement sur les propriétés optiques du nitrure de bore hybridé sp²

Juliette PLO

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un semi-conducteur à large bande interdite, autour de 6 eV, présentant des propriétés d’émission dans l’UV, pouvant être utiles dans le développement de LEDs UV efficaces, les nitrures du groupe-III faisant partie des candidats les plus propices pour cette application. D’un autre côté, hBN fait aussi partie de la famille des matériaux bidimensionnels, tout comme le graphène ou les dichalcogénures de métal de transition (TMDs). De part sa structure lamellaire, plusieurs empilements de hBN existent, appelés polytypes-sp², comme par exemple l’empilement AA’, AB, AA ou ABC (phase rBN). Au début des années 2000, les premiers cristaux de AA’-hBN de très bonne qualité ont été obtenus par Taniguchi&Watanabe, amenant à un grand nombre d’études fondamentales afin de comprendre ses propriétés intrinsèques, notamment la démonstration de sa bande interdite indirecte, se traduisant par une émission de lumière assistée par phonons étonnamment efficace (50 % de rendement quantique). Étudier l’impact de l’empilement sur les propriétés intrinsèques de hBN s’est ensuite avéré être un sujet d’intérêt pour la communauté BN: cela se traduit par un décalage énergétique de quelques meV de la bande interdite avec l’empilement, soit un écart relatif par rapport à AA’-hBN de l’ordre du %. Cependant, l’empilement ABC, appelé aussi phase rhomboédrique (rBN) avait été très peu étudié, jusqu’à lors, par manque de cristaux de qualité et de taille suffisante amenant à la réalisation de spectroscopie optique. Ainsi, grâce à l’obtention de cristallites rBN au sein du L2C, j’ai pu réaliser une étude approfondie, en m’intéressant aux propriétés cristallographiques, vibratoires puis opto-électroniques de cet empilement, par le biais de spectroscopies Raman et PL-UV. D’un autre côté, l’émission extrinsèque de hBN, liée à des défauts ponctuels, fait partie aussi des sujets phares de la communauté, car un grand nombre de raies fines liées à des défauts ponctuels sont observées entre 1 eV et 4 eV dans des cristaux hBN, et dont les origines sont peu connues. Un autre Chapitre de ma thèse est consacré sur l’étude du défaut émettant autour de 4 eV : grâce à la purification isotopique, nous avons pu démontrer que cette émission autour de 4 eV provient d’un dimère carbone, soit deux atomes de carbone substituant un atome de bore et un atome d’azote voisins