La consommation d’énergie, paramètre clé des trajectoires macroéconomiques à l’échelle mondiale

Les ressources énergétiques sont indispensables à la production économique. Or, pour combattre le changement climatique, il faut consommer moins d’énergies fossiles. Si nous voulons maintenir l’activité économique, peut-on diminuer la consommation d’énergie, ou doit-on remplacer Joule pour Joule les technologies émettant du CO2, voire même déployer plus de capacité énergétique ? En considérant l’économie mondiale comme un systèmes macroscopique dissipatif, des chercheurs du SPEC-SPHYNX ont analysé empiriquement les données historiques disponibles sur les deux cents dernières années. Durant de longues périodes, l’activité économique (Produit Intérieur Brut, PIB, ou Produit Mondial Brut, PMB) et la consommation d’énergie primaire (CEP) croissent exponentiellement en restant proportionnelles l’une à l’autre (cf. figure). L’Europe a réussi depuis 1990 à découpler la production de la consommation énergétique mais, au niveau mondial, la croissance du PMB reste liée à celle de la CEP. Pour comprendre la linéarité PIB-PMB/CEP, nous avons proposé une évolution du modèle macroéconomique de croissance, qui intègre le travail non qualifié dans la consommation d’énergie (dont l’énergie des aliments) et reprend le concept de capital humain rendant compte du travail qualifié.

Ce graphique log-log représente en abscisse la consommation d’énergie primaire, et en ordonnée l’activité économique. Les données des séries historiques pour l’Europe (trait bleu fin) peuvent être comparées à celles pour le monde entier (trait noir épais). Certaines périodes de linéarité PIB-PMB/CEP sont repérées par des segments de pente 1 en log-log, en rouge pointillé (d’autres ne sont pas repérées pour conserver la lisibilité).

Les sauts d’une phase (quasi) linéaire à une autre sont associés à des changements technologiques majeurs comme le passage du bloc de développement Charbon-Fer-Rail au bloc Pétrole-Moteur à combustion interne. En moyenne, on trouve que la croissance de la productivité de l’énergie DA/A (A étant défini comme le rapport PMB/CEP) est proportionnelle à CEP, qui est donc un paramètre clé de la trajectoire économique globale. Un tel paramétrage, s’il est validé, pourrait permettre de faire des prévisions des besoins énergétiques en fonction des souhaits de développement économique à l’échelle du globe, sous les différentes contraintes environnementales.

Contacts : Hervé Bercegol (SPEC)

Croissance cristalline des couches d’InAlN : une étude ab initio des mécanismes de ségrégation de l’indium

Pierre Rutarana (CIMAP)

Depuis plus de 15 années, le nitrure d’aluminium et d’indium (InAlN) concentre un effort important de recherche pour ses applications dans les dispositifs optoélectroniques et électroniques tels que les miroirs de Bragg et les transistors à haute mobilité électronique. Toutefois, le développement de ces équipements se heurte à la difficulté de faire croître des films épais de haute qualité. En effet, une dégradation cristallographique des films de InAlN est observée lorsque leur épaisseur augmente (figure a). Afin de rendre compte de ce phénomène, que les mécanismes de croissance proposés dans la littérature n’expliquent pas, nous avons effectué des calculs ab initio avec le double objectif d’étudier l’adsorption et la diffusion d’atomes d’indium et d’aluminium sur les surfaces (0001) et (0001̅) de InAlN(18% In). Le paramètre de maille de ce composé est en accord avec celui de GaN, ce qui permet son épitaxie. Les résultats obtenus dans le cadre de la thèse de Ranim Mohamad, montrent que

a) Image de microscopie en transmission en champ faible montrant la dégradation cristalline d’une couche d’InAlN (18% In) avec des défauts V en surface ; (b) Energie de formation d’un défaut complexe de lacunes (NMetal3) naissant en surface ; (c) Schéma du défaut natif ; (d) Agrégation d’atomes d’indium autour de ce défaut durant la croissance, conduisant à un défaut de surface en forme de V. Les boules bleues, roses et grises représentent les atomes Al, In et N respectivement.

les surfaces sont plus stables lorsqu’elles contiennent des défauts complexes (figure b, c). La présence de lacunes facilite la diffusion de l’indium en diminuant la barrière d’énergie et favorise la liaison des atomes d’indium à la surface au niveau des défauts. Le comportement inverse est observé pour l’aluminium, dont la force d’adsorption à la surface diminue en présence de défauts. De plus, pour l’adatome Al, la barrière d’énergie augmente sur les deux types de surface, ce qui limite sa diffusion en surface. Ainsi, lors de la croissance épitaxiale, les atomes d’indium vont migrer vers les défauts complexes. A terme, cette agrégation d’indium autour des défauts et la faible mobilité des atomes d’Al conduiront à la formation des défauts V observés (figure d), à la séparation de phase et à la dégradation cristallographique des couches épitaxiales d’InAlN d’épaisseur croissante (figure a).

Contact : Pierre Rutarana (CIMAP)