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Quand les secrets des papillons dopent les diodes de demain

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Les diodes électroluminescentes (ou LED pour Light-Emitting Diode) jouent un rôle important dans les systèmes optiques de communication. Ces diodes sont fabriquées à partir de matériaux photoémissifs, c'est-à-dire qui émettent des photons lorsqu'ils sont excités électriquement ou optiquement. Ces photons peuvent être émis dans plusieurs directions et à plusieurs longueurs d'onde.

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Mais les physiciens sont confrontés au problème du piégeage, à l'intérieur même de la diode, de la majorité de la lumière émise. Pour rendre les diodes électroluminescentes plus efficaces, les chercheurs utilisent donc des cristaux photoniques à deux dimensions qui améliorent l'extraction de la lumière. Un cristal photonique est une structure diélectrique périodique qui interdit la propagation des photons pour certaines longueurs d'onde. De même que l'on parle pour les semi-conducteurs de bande interdite électronique, on parle pour les cristaux photoniques de bande interdite photonique : une variation périodique de la constante diélectrique (par exemple du fait de l'inclusion dans le matériau de trous périodiquement espacés) interdit la propagation de photons d'une certaine énergie. Plus précisément, une bande interdite photonique à deux dimensions empêche la propagation de la lumière pour une certaine gamme de fréquences et dans toutes les directions du plan : de fait, elle guide la lumière émise vers l'extérieur de la diode, améliorant ainsi le rendement d'extraction. Les cristaux photoniques peuvent être, comme ceux développés au Center for Materials Science and Engineering du MIT, des structures à deux dimensions consistant en un réseau triangulaire de trous.

Afin d'améliorer le contrôle de la direction d'émission, les cristaux photoniques peuvent également être placés sur des sortes de miroirs, appelés réflecteurs de Bragg. Ces miroirs renvoient alors vers l'extérieur la lumière émise par le matériau photoémissif.

Deux chercheurs du département de physique de l'Université d'Exeter ont découvert que des papillons sont naturellement équipés de ce dispositif complexe que les scientifiques s'efforcent de mettre au point (cf Science, vol 310). Ils ont étudié des papillons du groupe Princeps nireus que l'on rencontre en Afrique Centrale et en Afrique de l'Est. Les ailes de ces papillons sont sombres mais présentent, sur leur côté dorsal, des taches ou des bandes bleues ou bleu-vert brillantes. Ces ailes sont couvertes d'écailles et celles correspondant aux zones colorées constituent une nanostructure caractérisée par :

- une couche de cristal photonique épaisse de 2 µm composée de cylindres creux et remplis d'air insérés dans un milieu de cuticule solide ; un pigment très fluorescent est diffusé uniquement dans le cristal photonique. L'arrangement des cylindres creux dans ce cristal est quasi périodique : il est composé de domaines présentant une symétrie triangulaire sur une distance dépassant plusieurs constantes de réseau.

- un réflecteur de Bragg distribué, constitué de trois couches, parallèle à la couche de cristal photonique et situé 1,5 µm sous celle-ci. Ce miroir reflète vers le haut la fluorescence émise vers le bas mais aussi la lumière solaire qui a traversé le cristal photonique sans être absorbée.

En calculant la structure de bande interdite pour un cristal modèle à symétrie triangulaire, les chercheurs ont trouvé que, comme dans les diodes électroluminescentes, la couche de cristal photonique des papillons inhibe l'émission dans le plan du cristal et, donc, augmente l'émission vers l'extérieur.

La nature étant bien faite, l'excitation du matériau fluorescent est optimisée pour le rayonnement provenant du ciel bleu. Les pigments absorbent la lumière ultraviolette qui est ensuite réémise, par fluorescence, sous forme de lumière bleu-vert.

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