De nouvelles propriétés découvertes dans les semi-conducteurs en diamant

Le diamant, souvent célébré pour sa dureté et sa transparence inégalées, est devenu un matériau exceptionnel pour l’électronique de haute puissance et l’optique quantique de nouvelle génération. Le diamant peut être conçu pour être aussi conducteur d’électricité qu’un métal, en introduisant des impuretés telles que l’élément bore.

Des chercheurs de l’Université Case Western Reserve et de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont découvert une autre propriété intéressante des diamants additionnés de bore, connus sous le nom de diamants dopés au bore.

Leurs découvertes pourraient ouvrir la voie à de nouveaux types de dispositifs biomédicaux et d’optique quantique, plus rapides, plus efficaces et capables de traiter l’information d’une manière que les technologies classiques ne peuvent pas traiter. Leurs résultats sont publiés dans Communication naturelle.

Les chercheurs ont découvert que les diamants dopés au bore présentent des plasmons – des vagues d’électrons qui se déplacent lorsque la lumière les frappe – permettant de contrôler et d’améliorer les champs électriques à l’échelle nanométrique. Ceci est important pour les biocapteurs avancés, les dispositifs optiques à l’échelle nanométrique et pour l’amélioration des cellules solaires et des dispositifs quantiques.

Auparavant, on savait que les diamants dopés au bore conduisaient l’électricité et devenaient supraconducteurs, mais n’avaient pas de propriétés plasmoniques. Contrairement aux métaux ou même à d’autres semi-conducteurs dopés, les diamants dopés au bore restent optiquement clairs.

“Le diamant continue de briller”, a déclaré Giuseppe Strangi, professeur de physique à Case Western Reserve, “à la fois littéralement et comme phare de l’innovation scientifique et technologique. Alors que nous avançons dans l’ère de l’informatique quantique et de la communication, des découvertes comme celle-ci nous apportent plus proche d’exploiter tout le potentiel des matériaux à leur niveau le plus fondamental. »

“Comprendre comment le dopage affecte la réponse optique des semi-conducteurs comme le diamant change notre compréhension de ces matériaux”, a déclaré Mohan Sankaran, professeur d’ingénierie nucléaire, plasma et radiologique à l’Illinois Grainger College of Engineering.

Les matériaux plasmoniques, qui affectent la lumière à l’échelle nanométrique, captivent les humains depuis des siècles, avant même que leurs principes scientifiques ne soient compris. Les couleurs vibrantes des vitraux médiévaux résultent de nanoparticules métalliques incrustées dans le verre.

Lorsque la lumière les traverse, ces particules génèrent des plasmons qui produisent des couleurs spécifiques. Les nanoparticules d’or apparaissent en rouge rubis, tandis que les nanoparticules d’argent affichent un jaune vif. Cet art ancien met en valeur l’interaction entre la lumière et la matière, inspirant les progrès modernes en matière de nanotechnologie et d’optique.

Les diamants, composés de cristaux transparents de l’élément carbone, peuvent être synthétisés avec de petites quantités de bore, adjacentes au carbone dans le tableau périodique. Le bore contient un électron de moins que le carbone, ce qui lui permet d’accepter des électrons. Le bore ouvre essentiellement un « trou » électronique périodique dans le matériau, ce qui a pour effet d’augmenter la capacité du matériau à conduire le courant. Le réseau de diamant dopé au bore reste transparent, avec une teinte bleue. (Le fameux Hope Diamond est bleu car il contient de petites quantités de bore).

En raison de ses autres propriétés uniques (il est également chimiquement inerte et biologiquement compatible), le diamant dopé au bore pourrait potentiellement être utilisé dans des contextes que d’autres matériaux ne pourraient pas, comme pour l’imagerie médicale ou les biopuces ou capteurs moléculaires à haute sensibilité.

Les diamants synthétisés à basse pression ont été mis au point à Case Western Reserve (alors Case Institute of Technology) en 1968 par John Angus, membre du corps professoral, décédé en 2023. Angus a également été le premier à rendre compte de la conductivité électrique du diamant dopé au bore.