💥 La quantique pour mieux désinfecter

Le faible coût et la facilité d'utilisation des lampes à mercure, émettant à 254 nm, ont joué un rôle essentiel dans l'adoption généralisée de la technologie de désinfection UV. Cependant, ces lampes présentent plusieurs inconvénients, notamment une durée de vie courte, un allumage lent et le risque de fuites toxiques. De plus, elles émettent un rayonnement potentiellement cancérigène et cataractogène.

Face à ces enjeux, la recherche se tourne vers des lampes dans l'UV-C lointain, autour de 230 nm, car c'est une gamme spectrale moins invasive pour la peau et les yeux. Cependant, les performances des LED UV actuelles sont insuffisantes, et se dégradent d'autant plus que la longueur d'onde est courte.

Une alternative aux LED sont les lampes à faisceau d'électrons émis par une cathode froide qui injecte la puissance électrique dans le semi-conducteur [1]. Contrairement aux LED, cette technologie ne nécessite pas de dopage ni de contact électrique du semi-conducteur. Ainsi, les dispositifs intégrant des faisceaux d'électrons et utilisant des boîtes quantiques en AlGaN comme matériau actif ont connu des avancées notables pour plus d'efficacité et de puissance. Ces boîtes quantiques améliorent les performances grâce à leur rendement élevé.

Figure 1

(a) Image de microscopie électronique à balayage en champ clair de deux couches de boîtes quantiques en AlGaN. L'arrangement des boîtes quantiques est compact, avec une hauteur d'environ 1 nm et un diamètre à la base de 5-7 nm.

(b) Description schématique de la lampe UV-C ciblée, contenant le semi-conducteur avec des boîtes quantiques en AlGaN, et la cathode froide dans une enveloppe sous vide.

Des chercheurs du CEA-Irig, en collaboration avec l'Institut Lumière Matière (Université de Lyon), l'Institut Néel à Grenoble (CNRS) et le CEA-Léti, ont réalisé des lampes UV incluant des boîtes quantiques en AlGaN.

Dans des enceintes sous ultra-vide, les chercheurs ajustent précisément les paramètres de croissance par épitaxie par jets moléculaires de ces boîtes dans la plage UV de 230 à 270 nm (Figure 1). Les boîtes quantiques atteignent une efficacité quantique d'environ 50 % sur l'ensemble de la gamme spectrale. De plus, elles présentent des rendements énergétiques supérieurs à ceux des LED AlGaN dans la fenêtre spectrale à 230 nm (Figure 2) [2].

En résumé, ces recherches marquent un jalon important dans le développement de sources pour la désinfection UV-C efficace et sans danger. Les avancées concernent une sélection spectrale plus étroite [3] et l'amélioration de l'efficacité d'extraction de la lumière. De plus, de nouvelles conceptions de lampes de désinfection UV intégrant une cathode produisant plusieurs milliwatts de courant pour une durée de vie plus longue, sont en cours d'études.

Figure 2

Spectres d'émission de cathodoluminescence (CL) d'échantillons de boîtes quantiques avec différentes concentrations d'aluminium dans les boîtes.

[1] Cuesta S, Harikumar A and Monroy E.

Electron beam pumped light emitting devices.

Journal of Physics D: Applied Physics 2022.

[2] Cañas J, Harikumar A, Purcell S T, Rochat N, Grenier A, Jannaud A, Bellet-Amalric E, Donatini and Monroy E.

AlGaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots for highly efficient electron beam pumped emitters: The role of miniaturization and composition to attain far UV-C emission.

ACS Photonics 2023.

[3] Cañas J, Rochat N, Grenier A, Jannaud A, Saghi Z, Rouvière JL, Bellet-Amalric E, Harikumar A, Bougerol C, Rigutti L and Monroy E.

Effect of extended defects on AlGaN QDs for electron-pumped UV-emitters.

ACS Nano 2024.