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Exciton

quasi-particule composite d'un électron et d'un trou

Un exciton est, en physique, une quasi-particule que l'on peut voir comme une paire électron-trou liée par des forces de Coulomb. Une analogie souvent utilisée consiste à comparer l'électron et le trou respectivement à l'électron et au proton d'un atome d'hydrogène. Ce phénomène se produit dans les semi-conducteurs et les isolants.

En 2008, le premier dispositif électronique basé sur des excitons a été démontré, fonctionnant à des températures cryogéniques[1]. En 2018, l'EPFL met au point un transistor basé sur les excitons qui peut fonctionner à temperature ambiante[2]. Cette technique ouvre la voie à une panoplie de nouvelles possibilités en excitonique, branche de la physique appliquée qui, après celle de la photonique et de la spintronique, s’avère des plus prometteuses pour l'électronique du futur[3].

Sommaire

CaractéristiquesModifier

On distingue généralement deux sortes d'exciton :

L'électron et le trou d'un exciton de Mott-Wannier sont séparés d'environ d~100-400Å tandis que cette séparation est de l'ordre de d<5Å pour un exciton de Frenkel. Il existe toutefois un cas intermédiaire que l'on retrouve dans les cristaux moléculaires organiques et où la distance entre l'électron et le trou correspond à une ou deux fois la distance intermoléculaire du plus proche voisin, on nomme cet exciton : exciton à transfert de charge[4].

Une autre façon de décrire un exciton est de le voir comme étant une onde de polarisation neutre dans le matériau.

Dans les matériaux semi-conducteurs, l'exciton se manifeste par la présence d'un pic d'absorption situé à une énergie plus faible que l'énergie de bande interdite du matériau[5]. La différence entre les deux énergies est l'énergie de liaison   de l'exciton, et le pic excitonique n'est observable que lorsque l'énergie de liaison n'est pas négligeable devant l'énergie thermique :  . Dans un puits quantique, l'énergie de la transition excitonique peut être modifiée par l'application d'un champ électrique (grâce à l'effet Stark), ce qui est à la base d'un modulateur d'intensité lumineuse : le modulateur à électro-absorption.

HistoriqueModifier

Le concept d’excitons a été proposé pour la première fois par Yakov Frenkel en 1931[6], quand il a décrit l’excitation des atomes d’un réseau dans un isolant. Il a proposé que cet état excité soit en mesure de voyager telle une particule à travers le réseau sans transfert de charge apparent.

RéférencesModifier

  1. (en) A. A. High, E. E. Novitskaya, L. V. Butov et M. Hanson, « Control of Exciton Fluxes in an Excitonic Integrated Circuit », Science, vol. 321, no 5886,‎ , p. 229–231 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, DOI 10.1126/science.1157845, lire en ligne, consulté le 31 mars 2019)
  2. (en) Dmitrii Unuchek, Alberto Ciarrocchi, Ahmet Avsar et Kenji Watanabe, « Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure », Nature, vol. 560, no 7718,‎ , p. 340–344 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/s41586-018-0357-y, lire en ligne, consulté le 31 mars 2019)
  3. Michel Deprost, « Avec l’exciton, l’EPFL lance l’excitonique, électronique du futur », sur enviscope.com, .
  4. (en) Martin Pope, Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, United Kingdom, Oxford University Press,
  5. (en) Gérald Bastard, Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures, Les éditions de physique, coll. « Monographies de physique », , 327 p. (ISBN 2-86883-092-7)
  6. (en) J. Frenkel, « On the Transformation of light into Heat in Solids. I », Physical Review, vol. 37,‎ , p. 17 (DOI 10.1103/PhysRev.37.17, lire en ligne)

Voir aussiModifier