Des chercheurs du Laboratoire des Solides Irradiés (LSI, CEA-Iramis), en collaboration avec l’Université de Bâle, l’Université de Cagliari, le laboratoire SATIE (CNRS, ENS Paris-Saclay, Université Paris-Saclay) et l’ICMAB-CSIC de Barcelone, ont élucidé les mécanismes qui gouvernent la dissipation de l’énergie dans le germanium après une excitation laser ultrarapide. En combinant spectroscopie Raman résolue en temps, mesures de réflectivité transitoire et simulations numériques, ils mettent en évidence les différentes étapes du transfert d’énergie entre porteurs de charge, vibrations du réseau cristallin et contraintes mécaniques locales. Ces travaux apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes fondamentaux qui conditionnent le fonctionnement des semi-conducteurs.
Les performances des composants électroniques, photoniques ou quantiques dépendent en grande partie de la manière dont l’énergie circule dans le matériau après une excitation lumineuse. Lorsqu’un semi-conducteur absorbe une impulsion laser, les électrons et les trous acquièrent une énergie importante qu’ils redistribuent rapidement au réseau cristallin, constitué d’atomes en vibration. Ces vibrations collectives, appelées phonons, jouent un rôle essentiel dans les transferts de chaleur et influencent directement les performances des dispositifs. Bien que le germanium soit étudié depuis plusieurs décennies et constitue un matériau clé pour de nombreuses applications, les mécanismes précis de dissipation de cette énergie restaient encore mal compris durant les toutes premières picosecondes suivant l’excitation. Les études précédentes ne permettaient pas de suivre suffisamment finement ces phénomènes ultrarapides.
Pour lever ce verrou expérimental, les chercheurs ont combiné deux techniques complémentaires de spectroscopie ultrarapide. La spectroscopie Raman résolue en temps permet de suivre directement l’évolution des phonons optiques, tandis que la réflectivité transitoire renseigne sur la réponse électronique et mécanique du matériau. Les observations expérimentales ont ensuite été confrontées à des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), faits au LSI, et à des simulations de dynamique moléculaire afin d’identifier les mécanismes physiques à l’origine des phénomènes observés. Cette approche conjointe permet de relier les signatures expérimentales aux différents transferts d’énergie qui se produisent à l’échelle microscopique.
Les mesures montrent qu’après l’excitation laser, les trous photoexcités transfèrent rapidement leur énergie aux phonons optiques du germanium, dont la température atteint un maximum après environ quatre picosecondes. Cette énergie est ensuite redistribuée vers les phonons acoustiques par un mécanisme appelé couplage anharmonique, avec un temps caractéristique de 2,7 ± 0,2 picosecondes, qui peut atteindre 2,3 ± 0,1 picoseconde lorsque l’intensité de l’excitation augmente, en excellent accord avec les simulations numériques. Les chercheurs mettent également en évidence un résultat plus inattendu : la température des phonons, leur fréquence Raman et la largeur de leur raie spectrale n’évoluent pas selon les mêmes échelles de temps. Alors que la température des phonons optiques décroît rapidement, les deux autres grandeurs continuent d’évoluer sur des temps beaucoup plus longs. Les simulations montrent que cette différence s’explique par des contraintes mécaniques locales générées par l’échauffement ultrarapide du matériau. Les expériences révèlent également des oscillations de Brillouin, correspondant à la propagation d’une onde de contrainte dans le cristal, dont l’amortissement présente une corrélation avec l’évolution de la largeur de la raie Raman.
Au-delà du cas particulier du germanium, ces résultats permettent de distinguer les différentes voies de dissipation de l’énergie dans un semi-conducteur et les échelles de temps qui leur sont associées. Ils montrent que l’évolution des propriétés vibratoires ne dépend pas uniquement de la température, mais aussi des contraintes mécaniques transitoires induites par l’excitation ultrarapide. Cette compréhension plus fine des interactions entre porteurs de charge, phonons et déformations du réseau constitue une avancée importante pour la physique des semi-conducteurs. Elle apporte des connaissances essentielles pour mieux comprendre le fonctionnement des matériaux utilisés dans les futurs composants micro- et nanoélectroniques, photoniques ou quantiques, dont les performances reposent directement sur la maîtrise de ces mécanismes ultrarapides.
Référence
Grazia Raciti, Begoña Abad, Riccardo Dettori, Raja Sen, Aswathi K. Sivan, et al.. « Unraveling energy flow mechanisms in semiconductors by ultrafast spectroscopy: Germanium as a case study ». Advanced Science, 2026.
Collaboration
- Université de Bâle
- Université de Cagliari
- Laboratoire SATIE (CNRS, ENS Paris-Saclay, Université Paris-Saclay)
- ICMAB-CSIC de Barcelone
Contact CEA
- Jelena Sjaskste, chercheuse au LSI.