Semi-conducteurs à large bande interdite pour l’optoélectronique dans l’ultraviolet profond
Coordinateur : Guillaume CASSABOIS
Depuis plus de sept décennies, le nitrure de bore hexagonal (hBN) est utilisé comme céramique inerte et thermiquement stable. La croissance de cristaux de hBN de haute qualité en 2004 a ravivé l’intérêt pour ce matériau.
Des recherches récentes ont révélé que ce matériau bidimensionnel présente une combinaison unique de propriétés optiques, allant du moyen infrarouge à l’ultraviolet profond, ouvrant la voie à de nouvelles fonctionnalités photoniques.
Nos activités de recherche sont centrées sur les propriétés optoélectroniques de hBN, en particulier dans la gamme spectrale de l’ultraviolet profond (UV-C, λ~200 nm). Ce cristal possède une efficacité quantique interne élevée, proche de celle observée dans les semi-conducteurs à gap direct, alors même que sa bande interdite est précisément indirecte, comme nous l’avons établi dans nos premiers travaux sur ce matériau. Cette apparente contradiction est intimement liée à la structure lamellaire de ce semiconducteur, qui conduit à l’existence de bandes électroniques plates, à l’origine de la force d’oscillateur géante des transitions excitoniques.
Grâce au dispositif de microscope optique à balayage, achromatique, limité par la diffraction jusque dans la gamme spectrale UV-C (λ~200 nm), nous avons étendu nos investigations, d’une part à des monocouches de nitrure de bore (exfoliées de cristaux massifs, ou épitaxiées sur substrat graphitique), et d’autre part aux différents polytypes de hBN en empilement AB ou AA. A l’heure actuelle, nous travaillons activement sur la phase cristalline rhomboédrique (rBN) qui présente de nouvelles fonctionnalités par rapport à l’empilement canonique AA’ de hBN.
Quelques publications récentes :
- Wafer-scale AA-stacked hexagonal boron nitride grown on a GaN substrate, S. Moon, O. F. Ngome Okello, A. Rousseau, C.-W. Choi, Y. Kim, Y. Park, J. Kim, J. Kim, M. Kim, P. Valvin, J. Cho, K. Watanabe, T. Taniguchi, H. Y. Jeong, G. Fugallo, W. Desrat, F. Ding, J. D. Lee, B. Gil, G. Cassabois, S.-Y. Choi, and J. K. Kim, Nature Materials 24, 843 (2025)
- Isotope substitution and polytype control for point defects identification: the case of the ultraviolet color center in hexagonal boron nitride, J. Plo, A. Pershin, S. Li, T. Poirier, E. Janzen, H. Schutte, M. Tian, M. Wynn, S. Bernard, A. Rousseau, A. Ibanez, P. Valvin, W. Desrat, T. Michel, V. Jacques, B. Gil, A. Kaminska, N. Wan, J.H. Edgar, A. Gali and G. Cassabois, Phys. Rev. X 15, 021045 (2025)
- Homoepitaxy of Boron Nitride on exfoliated Hexagonal Boron Nitride flakes, J. Binder, A. K. Dabrowska, M. Tokarczyk, A. Rousseau, P. Valvin, R. Bozek, K. Nogajewski, G. Kowalski, W. Pacuski, B. Gil, G. Cassabois, R. Stepniewski, and A. Wysmolek, Nano Lett. 24, 6990 (2024)
- Exciton and Phonon Radiative Linewidths in Monolayer Boron Nitride, G. Cassabois, G. Fugallo, C. Elias, P. Valvin, A. Rousseau, B. Gil, A. Summerfield, C. J. Mellor, T. S. Cheng, L. Eaves, C. T. Foxon, P. H. Beton, M. Lazzeri, A. Segura, and S. V. Novikov, Phys. Rev. X 12, 011057 (2022)
- Bernal Boron Nitride Crystals Identified by Deep-Ultraviolet Cryomicroscopy, A. Rousseau, P. Valvin, W. Desrat, L. Xue, J. Li, J. H. Edgar, G. Cassabois and B. Gil, ACS Nano 16, 2756 (2022)
- Flat Bands and Giant Light-Matter Interaction in Hexagonal Boron Nitride, C. Elias, G. Fugallo, P. Valvin, C. L’Henoret, J. Li, J. H. Edgar, F. Sottile, M. Lazzeri, A. Ouerghi, B. Gil, and G. Cassabois, Phys. Rev. Lett. 127, 137401 (2021)
- Determination of the optical bandgap of the Bernal and rhombohedral boron nitride polymorphs, A. Rousseau, M. Moret, P. Valvin, W. Desrat, J. Li, E. Janzen, L. Xue, J. H. Edgar, G. Cassabois and B. Gil, Phys. Rev. Materials 5, 064602 (2021)
Financements :
Cette activité de recherche est soutenue par l’initiative France 2030 QuanTEdu-France, ainsi que par les projets ANR DOPALGAN, Hetero-BNC, BONASPE, BIRD.