Qu'est-ce qu'un puits quantique?
Un puits quantique est utilisé pour confiner des électrons à des niveaux d'énergie spécifiques. Les puits quantiques consistent en un semi-conducteur extrêmement mince avec une petite bande interdite, reposant entre des matériaux ayant une plus grande bande interdite. Ils sont extrêmement petits, généralement entre 1 et 20 nanomètres. Ils sont le plus souvent utilisés dans les diodes laser et l'imagerie infrarouge.
Ce puits utilise les propriétés du comportement des électrons et des bandes interdites pour fonctionner. Les bandes interdites sont des zones de l'orbite d'un électron situées entre l'état fondamental, où les électrons reposent normalement, et la bande de conduction, les électrons des orbitales d'énergie supérieure se déplaçant lorsqu'ils sont excités. Les espaces sont des barrières entre les bandes d'état fondamental et les bandes de conduction, qui empêchent les électrons d'atteindre la bande de conduction sans obtenir plus d'énergie que dans leurs états fondamentaux. Plus la bande interdite est grande, plus les électrons ont besoin d'énergie pour sauter cette bande et atteindre la bande de conduction.
Une fois que l'électron a atteint la bande de conduction, il libère son excès d'énergie et retombe dans son état fondamental. En plaçant un semi-conducteur mince au microscope entre des matériaux avec des bandes interdites trop larges pour permettre aux électrons de sauter facilement, les scientifiques peuvent forcer les électrons à rester dans la zone bidimensionnelle du semi-conducteur mince. Le piégeage des électrons de cette manière permet une manipulation d'énergie spécifique.
Comme les électrons ne peuvent se déplacer que dans deux directions, ils ne peuvent produire que le type d'énergie souhaité par le scientifique ou le fabricant. Cette énergie est également concentrée dans un flux extrêmement étroit. En raison de cette focalisation, les puits quantiques créent des lasers précis pour les dispositifs optiques. Un exemple bien connu de puits quantique est celui des lasers lus dans les lecteurs de disques compacts.
Les puits quantiques sont nommés "puits" non seulement en raison de leur comportement de piégeage des électrons comme si un puits piégeait de l'eau, mais également en raison de leur apparence graphique. Lorsque les puits quantiques sont représentés sur des graphiques d'énergie par rapport à une position, ils ressemblent à des vallées profondes, ou puits, souvent de forme rectangulaire. Un puits quantique est un type de puits potentiel, ce qui signifie qu’il est possible de produire une quantité minimale d’énergie fixe.
Cultivé, plutôt que créé, un puits quantique est généralement constitué d’un matériau tel que l’arséniure de gallium entouré d’arséniure d’aluminium. Les puits sont cultivés, le plus souvent, par un processus appelé épitaxie par jet moléculaire, qui utilise une cellule à épanchement pour tirer des molécules de la substance sur une substance de base. Cette méthode crée une seule couche atomique du matériau du puits à chaque allumage de la cellule.