Le monde quantique au quotidien
publicité
LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: L’OPTO-ELECTRONIQUE Emmanuel ROSENCHER Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) Département de Physique (École Polytechnique) « Laissez dire les sots ; le savoir a son prix » Jean de La Fontaine. Livre VIII L'Avantage de la science 1/40 De quoi va-t-on parler? • Là où tout commence : l’effet photoélectrique • Les briques de base • La détection quantique • Les émetteurs de lumière • Les nouvelles frontières 2/40 1 LA OU TOUT COMMENCE: L’EFFET PHOTOELECTRIQUE 3/40 En 1887, Rudolf-Heinrich Hertz d écouvre l’effet photoélectrique V 0 Rudolf-Heinrich Hertz, 1887 « Il semble y avoir un rapport entre l’énergie des électrons émis et la fréquence de la lumière excitatrice » Philipp 4/40 von Lenard, 1895 2 LE SPECTRE DU CORPS NOIR 14 13 3 Hertz 3 2 Emissivité (W/m /µm) 10000 Max Planck 14 Décembre 1900 1000 1000K 100 300 K 10 1 1 10 Longueur d'onde (µm) La lumière arrive en paquets d’énergie quantifiée E = h f h = 6.63 10-34 J.s 5/40 Et Dieu cr éa Albert Einstein … Énergie des électrons métal vide ∆E W= potentiel qui retient les électrons dans le métal Albert Einstein en 1905 h f h f’ h = constante de Planck découverte dans le spectre du corps noir 6/40 3 Millikan passe 12 ans de sa vie à vouloir démontrer que Einstein à tort… ∆E Millikan 1925 h = 6.63 10-34 J.s !!!!! C’est celui qui dit qui est ! La Physique Quantique vient de naître …. 7/40 1, 24 ( eV ) longueur d ' onde ( µm) = energie du photon ( eV ) µm Énergie (eV) 100 10 Pile électrique 300 K Longueur d’onde X UV 1 0,1 0,01 10 nm 100 nm 1 µm infrarouge 10 µm 100 µm 8/40 4 La cellule photoélectrique: le premier composant quantique … La première caméra de télévision LEE De FOREST 9/40 QUELQUES BRIQUES DE BASE: Les semiconducteurs La diode Le puits quantique 10/40 5 Louis de Broglie découvre que les électrons se comportent comme des ondes Énergie des électrons λ λ 1925 2 E= h 1 2 m λ2 Relation entre la longueur d’onde et l’énergie d’un électron 11/40 Wigner, Seitz, Bloch décrivent la structure de bandes des solides énergie Bande d’énergies interdites 1930 12/40 6 Un état vide dans la bande de valence est un trou énergie Bande de conduction Bande d’énergies interdites Bande de valence 13/40 = Wolfgang Pauli Le trou se déplace dans la direction opposée à celle de l’électron: C’est une quasi-particule de charge positive 14/40 7 La transition optique interbande Bande de conduction Bande de valence Absorption de photons Émission de photons 15/40 Gaps et couleurs UV Visible Infrarouge proche Infrarouge lointain 16/40 8 Le dopage, la zone de charge d’espace et la jonction p/n Si Si Si P+ Si Si Si Si Mendeleev B Dopage n Si Si δ+ Si Si B- Si Si Si Si III Champ électrique Si C Si P IV V Dopage p 17/40 Le puits quantique (1) TECHNOLOGIES DE L’ULTRA-VIDE 1970-1980 18/40 9 Le puits quantique (2) AlGaAs GaAs AlGaAs 2 vidéo 1 19/40 LA DETECTION QUANTIQUE: L’effet photovoltaïque Les détecteurs infrarouge Les caméras CCD Les cellules solaires 20/40 10 PHOTO-DETECTION QUANTIQUE BC BC BV photoémission interne transition interbande transition inter-sousbande 21/40 EFFET PHOTOVOLTAIQUE p++ n 22/40 11 Exemple 1: MATRICE CCD Vg Paquet d’électrons photocréés Métal Oxide Silicium Taille typique actuelle: 6 µm x 6 µm Nombre typique de pixel: 10 000 000 Taille de matrice: 1 cm2 23/40 Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hgx Cd1-x Te Pourquoi les bandes 3-5 µm et 8-12 µm sont elles si importantes ? CO, CO 2, NO, N2O, SO2 , O3, CH4 TNT, H 2O, Sarin, … 1.0 Transmission 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 2 4 6 8 10 12 Longueur d'onde (µm) 24/40 12 Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hgx Cd1-x Te 3 – 5 µm soit 0.25 - 0.40 eV 8 – 12 µm soit 0.10 - 0.15 eV 25/40 Imagerie thermique infrarouge Image d ’un avion furtif en infrarouge Mauvaise vascularisation d’une main Niveau de carburant 26/40 13 Exemple 3: Cellule solaire en silicium Rendement quantique : 15 % Courant maximal : 150 W/m2 Ensoleillement maximal : 1000 4´107 • W/m2 Spectre solaire 7 3´10 Rendement de conversion dans Si W m^2.µm 2´107 1´107 0 0 1 2 3 4 5 eV 27/40 LES EMETTEURS DE LUMIERE: Diodes électroluminescentes Diodes lasers 28/40 14 LA DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED) AlGaAs GaAs AlGaAs N P p++ n LED : 1 électron → 1 photon soit 1 Amp → 1 Watt Ampoule : 1 Amp → 0,1 Watt Émission spontanée 29/40 CARACTERISTIQUES DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES Puissance émise GAP Ampoule Énergie des photons Caractéristiques • Large spectre émis • Faisceau assez divergent • Fréquence de modulation faible (≈100 MHz) •Technologie planaire → faible coût Applications • Commandes à distance (zappette, automobile,…) • Panneau d’affichage, feux …. • Réseaux locaux de télécom • Révolution de l’éclairage 30/40 15 COULEURS DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES BN Bande interdite à 0 K (eV) 7 UV AlN 6 C 5 ZnS 4 ZnO GaN ZnSe AlP AlAs GaP InN 3 2 Si 1 3.5 4.0 4.5 5.0 ZnTe CdSe GaAs InP 5.5 6.0 6.5 Maille du cristal (Ang.) 31/40 LES AVENTURES DE LA DIODE BLEUE 1974 1974- 1984 1980 1984-1993 : Découverte de l’électroluminescence de GaN dans le bleu : Recherche de dopants p de GaN : Article théorique « on the impossibility to p-dope wide band gap materials » : Fin des recherches sur GaN 1984-1993 : Recherche de Nakamura à la société Nichia du dopage p de GaN 1993 : Découverte du dopage de GaN par Mg !!! 2005 : Marché mondial de plusieurs milliards d’Euros Nakamura Avant la dé couverte de Nakamura Après la d écouverte de Nakamura MORALE DE CETTE HISTOIRE ???? 32/40 16 L’EMISSION STIMULEE Absorption Émission spontanée Émission stimulée Amplification optique Albert Einstein 1917 33/40 L’OSCILLATION LASER Intensité de l’onde Miroir Miroir Amplificateur optique 34/40 17 LE LASER A SEMICONDUCTEUR AlGaAs GaAs AlGaAs P N n p General electric 1968 John von Neuman 1952 35/40 LES CARACTERISTIQUES DU LASER A SEMICONDUCTEUR Puissance émise ≈λ laser LED Énergie des photons Applications Caractéristiques • Spectre émis très pur • Faisceau très fin •Télécommunications • Fréquence de modulation élevé (> 30 GHz) • Lecteurs de disques CD • Pointeurs laser •Technologie non planaire → coût élevé • 36/40 18 Gammes des diodes lasers GaN/AlGaN Bleu-UV CD, DVD 7 GaP/AlGaP Rouge Pointeurs GaAs/AlGaAs 0.8 – 1 µm Lecteur CD Bande interdite à 0 K (eV) AlN 6 5 4 3 GaN AlP 2 GaP 1 Si 0 37/40 5.0 InP/InGaAs 1.4 – 1.6 µm Télécom. AlAs InN GaAs InP InAs 5.5 6.0 6.5 Maille du cristal (Ang.) Exemple d’applications: le lecteur de disque compact CD et DVD Longueur d’onde Capacité de stockage Encyclopédia Univ. 785 nm 0.15 GB/cm2 0.6 m2 405 nm 0.6 GB/ cm 2 0.15 m2 38/40 19 Exemple d’applications: les télécommunications optiques Seule le laser permet de faire entrer la lumière dans un guide d’onde 4 µm !!! Encyclopedia Universalis ≈ 1 000 GigaBit en 1/10 s sur 3000 km 39/40 LES FRONTIERES: Les nouvelles longueurs d’onde Les atto-secondes Les oscillateurs paramétriques optiques Les cristaux photoniques La nano-optique …. 40/40 20 Une terra incognita: les térahertz Radio et hyperfréquences HF VHF UHF P L S Optique C X Ku K Ka W 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 30 m 3 m 30 cm 3 cm 40 neV 0.4 µeV 4 µeV 40 µeV LWIR SWIR NIR THz UV 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz 1 PHz 3 mm 300 µm 30 µm 3 µm 300 nm 0.4 meV 4 meV 40 meV 0.4 eV 4 eV Peau, tissu Intensité ≈ λ ≈ 1 mm distance Vue téraHertz d’un porteur de couteau (Jepherson Lab) 41/40 Les atto-secondes (0,000000000000000001 s) –6 durée (seconde) 10 –9 10 Electronique –12 10 Optoélectronique –15 10 1960 1970 1980 Année 1990 2000 Un électron met 150 attosecondes pour faire le tour de l’atome d’hydrogène 42/40 21
