ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA PHOTOLUMINESCENCE : APPLICATION SUR LE ZnO

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA PHOTOLUMINESCENCE : APPLICATION SUR LE ZnO

 Photoluminescence

La photoluminescence est l’émission radiative de la lumière par un corps soumis à une sollicitation excitatrice lumineuse. Elle peut être générée dans tout corps solide, liquide ou gazeux, cristallin ou amorphe. [6] La photoluminescence peut être utilisée pour étudier la structure de bande ou les niveaux des impuretés dans un semi-conducteur. 

Principe

La photoluminescence est une puissante technique optique non destructive permettant de caractériser les matériaux semi-conducteurs intrinsèques comme extrinsèques et les isolants. [8] Son principe est basé sur l’excitation des électrons par une source radiative monochromatique de faible longueur d’onde de type laser. Le spectre émis en retour par cette excitation radiative est appelé phénomène de photoluminescence. L’énergie émise par le matériau étudié est toujours plus faible que la source excitatrice. En général, l’émission pour un solide est très faible, d’où l’utilisation de laser et d’un système de détection performant. Le phénomène de PL est un champ d’investigations qui se développe depuis les années 70. Dans la spectroscopie de photoluminescence, les photons sont dirigés sur la surface du semiconducteur avec une énergie plus élevée que l’énergie du gap du matériau étudié. Les photons incidents monochromatiques de la source laser, sont soit réfléchis, soit absorbés ou encore transmis par le matériau. Les photons ainsi absorbés créent des paires électrons-trous dans le  semi-conducteur. En effet, l’électron absorbant le photon incident passe de la bande de valence à la bande de conduction. Quand l’électron perd son énergie par recombinaisons radiatives et se recombine avec le trou, les photons émis composent le spectre de photoluminescence. Les différentes longueurs d’onde composant ce spectre reflètent les différents niveaux d’énergie de transitions autorisées dans le matériau. Par conséquent, le spectre de photoluminescence donne des informations sur le comportement des photons sur la surface du matériau semi conducteur. Le schéma de la figure I.2 ci-dessous illustre un dispositif d’acquisition de spectre Photoluminescence [7]. Figure I.2 : Expérience typique d’une mesure de spectre de photoluminescence. 

Mécanisme des recombinaisons et Photoluminescence.

A température ambiante, les niveaux donneurs et accepteurs étant ionisés, la densité de porteurs libres importante, les transitions bande à bande constituent principalement le spectre de photoluminescence. De plus la mobilité des porteurs est dominée par la diffusion sur le réseau. Il est donc nécessaire de faire des expériences à faible température car les informations concernant les centres responsables de la conductivité électronique, les donneurs et les accepteurs, ne peuvent être obtenues que quand les particules électroniques s’y sont thermalisées. A basse température donc, les impuretés et défauts neutres sous excitation optique participent essentiellement à trois types de recombinaisons radiatives (excitons liés, bandes – impuretés et paires donneur – accepteur). Lorsque la recombinaison a lieu entre un état excité du cristal et un état lié fondamental, elle conduit à l’observation de raie de luminescence appelée raie principale. L’absorption et la luminescence dues aux impuretés traduisant respectivement la densité d’état d’occupation des niveaux, dépendent aussi selon toute attente de la présence  d’impuretés et de défauts dont l’incorporation et la formation sont étroitement liées aux conditions de croissance 

Luminescence- sélective -Excitation en luminescence.

Ces deux méthodes permettent des études complémentaires et plus fines, notamment l’identification des impuretés présentes dans le matériau, ou la nature des défauts. En luminescence sélective, l’échantillon est soumis à une radiation dont la longueur d’onde, inférieure à celle de la bande interdite, est fixée. Ce faisant, les différents chemins de recombinaisons sont observés. La spectroscopie d’excitation de luminescence permet, de voir les différents chemins d’excitation qui participent à une recombinaison donnée. Elle s’effectue donc en mesurant la luminescence induite lorsqu’on fait varier l’énergie d’excitation, généralement entre celle de la transition étudiée et celle de la bande interdite [9]. 

L’émission de la radiation 

La transition bande à bande

La transition bande à bande, en photoluminescence, apparaît progressivement lorsque la température de l’échantillon dépasse celle associée à l’énergie d’activation des impuretés. A haute température (300K) cette transition, lorsqu’elle est visible, domine généralement le spectre de luminescence. La figure I.3 ci-dessous schématise le processus de photoluminescence. Figure I. 3 : Représentation du processus de photoluminescence Lors de l’excitation, un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction. Il redescend rapidement au bas de celle-ci en émettant des phonons (chaleur), puis il émet un  photon en retournant à la bande de valence. L’émission des phonons est un processus extrêmement rapide de l’ordre de la picoseconde. Par contre, l’émission d’un photon peut prendre de 10-9 secondes à plusieurs secondes. Les matériaux phosphorescents sont ceux dont le temps d’émission est plus long ou de l’ordre de la milliseconde. Les autres matériaux sont dits simplement luminescents. Comme dans le cas de l’absorption de la radiation, la conservation du vecteur d’onde permet de relier uniquement les états possédant un même vecteur d’onde k. Cette restriction conduit à un coefficient d’émission de la forme:    2 1   EhBhL g (I-2) où la constante B est donné par l’équation:        e r mnch mq B 2 2 3 2 2 (I-3) avec : q: la valeur absolue de la charge de l’électron, mr* : la masse effective réduite, n: un nombre quantique, ch : une fonction hyperbolique, me*: la masse effective de l’électron. Figure I.4: La figure représente le type de transitions bande à bande ou le vecteur d’onde est conservé dans le cas d’un semi-conducteur non dopé à 0°K. On voit donc que la transition bande à bande possède un seuil situé à hѵ = Eg. Au fur et à mesure que l’on augmente la température, les états situés plus haut dans les bandes d’énergie commencent à être occupés et contribuent à l’émission de radiation. Il s’en suit donc que la transition possède une queue, du côté des hautes énergies, qui varie rapidement avec la température.