Hiroshi Amano et Shuji Nakamura pour leur invention de la diode électroluminescente (LED) bleue
Partie I/III

   Comme il est de coutume dans ces périodes, les Prix Nobel de toutes les disciplines y compris la physique sont attribués chaque année en octobre par les membres de l’Académie royale des sciences de Suède. Pour la physique tout particulièrement, et après la révélation du nom du lauréat en ce début octobre, à savoir les chercheurs japonais et américain Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et américain Shuji Nakamura, la médaille et le diplôme de la Fondation leur seront officiellement remis par le roi de Suède, le 10 décembre, jour de l’anniversaire de la mort du fondateur du Prix, le chimiste Alfred Nobel. Ceci dit, chaque année, nous avons droit à des festivités transmises à travers la planète par toutes les chaînes de télévisions du monde, couronnant ainsi ceux et celles qui ont fait l’effort d’innover. Ce Prix est une récompense des figures scientifiques éminentes, qui se sont brillamment illustrées en physique et ont rendu de grandes services à l’humanité grâce à une œuvre censée être un apport remarquable en savoirs nouveaux et inédits dans la discipline.
Retenons quelques noms dont les apports en matière d’innovation, ont marqué plus que jamais, ces dernières années, cette science si froide, incontournable et combien lassante. Il s’agit du Prix Nobel de physique de l’année 2010 attribué à A. Geim et K. Novoselov pour leur découverte en 2004 d’un cristal de graphène tout à fait bidimensionnel sous forme d’un feuillet s’étalant sur plusieurs dizaines de nanomètres. Alors qu’on pensait que tels feuillets étaient physiquement impossibles à obtenir car tout simplement ils contredisaient en apparence un résultat mathématique connu sous le nom Mermin-Wagner. Ce résultat était une formulation précise d’un argument étroitement lié aux notions de symétries brisées, donné par le physicien russe L. Landau.
En effet, à l’aide d’un simple ruban adhésif  de la marque scotch, que l’on trouve dans tous les supermarchés, ces deux physiciens ont littéralement pelé des cristaux de graphite, feuille après feuille. Parmi les échantillons obtenus, un petit nombre n’était composé que d’une couche unique d’atomes de carbone très faiblement liés à son support. «J’ai vite réalisé que nous avions obtenu un nouveau type de matériaux, se souvient Andre Geim. Mais, à l’époque, je ne pouvais imaginer qu’il serait à l’origine d’une physique si nouvelle, si riche, et à ce point prometteur en termes d’application».
Ce Prix Nobel de physique leur est revenu surtout, du fait de leur obstination à aller contre le courant fortement instruit donc par L. Landau, excluant toute possibilité d’obtention de cristal bidimensionnel.
Le graphène comme molécule si précieuse, est apparenté au graphite, matériau dont sont faites les mines de crayon. Comme lui, elle est entièrement composée d’atomes de carbone mais, dans un millimètre de graphite, il y a quelque trois millions de feuillets de graphène empilés. Car, là où le graphite est un arrangement cristallin à trois dimensions, le graphène est, lui, un cristal bidimensionnel, aussi fin qu’un atome. Ces carbones se répartissent parfaitement sur un plan, aux sommets d’hexagones collés les uns aux autres. A notre échelle, la structure évoque un grillage de clôture ou des nids d’abeille. L’épaisseur n’est que de 0,3 nanomètre (un nanomètre vaut un millionième de millimètre) et 0,1 nanomètre seulement sépare deux atomes voisins.
C’est un sujet si  riche que nous lui avons à lui seul consacré un article intitulé : Graphène et énergie solaire, daté du 9 mai 2013.
De même pour l’année 2012,  ce Prix Nobel est revenu à Serge Haroche et David Wineland pour les méthodes expérimentales mises au point, qui leur ont permis de manipuler des systèmes quantiques individuels qui sont l’atome et le grain d’énergie photon, à des fins de réalisation du QuBit (Quantum Bit). Ce dernier est défini comme étant l’unité de base équivalente du Bit dans le langage digital, en vue d’édifier le  calculateur quantique. En effet, S. Haroche du Collège de France, dirige une équipe au laboratoire Bossler Kastler (le père du pompage optique) à l’Ecole normale supérieur de Paris, et D. Wineland dirige aussi une équipe à la National institute of standart and technology (NIST), de l’Université du Colorado (USA).
En l’occasion, nous avions rédigé un long article dans Libération que nous avions intitulé : Le Prix Nobel de physique 2012 comme prolongement historique de la théorie quantique. Sa publication a eu lieu dans trois numéros successifs datés du 3, 4 et 5 décembre 2012, qui sont des dates juste avant celle de la remise des Prix Nobel. Nous y avons repris toute l’histoire de l’élaboration de cette théorie ainsi que la confrontation entre les deux Ecoles, celle de N. Bohr dite de Copenhague et celle d’Einstein dite EPR.
Pour l’année 2013, le Prix Nobel de physique est revenu à F. Englert et P. Higgs qui ont théorisé en 1964 le fameux boson de Higgs. C’est une théorie qui n’a pu être validée qu’en 2012 après 50 ans de recherches. En fait, dans les années 60, les physiciens ont commencé à peine à découvrir le monde de l’infiniment petit. Sachant que tout ce qui nous entoure est composé d’atomes, ces atomes eux aussi d’éléments plus petits, qui, à leur tour, sont faits de briques élémentaires. C’est là que les deux physiciens ont eu l’idée géniale de convenir que ces particules élémentaires n’ont pas de masse. C’est dire aussi qu’il existe une autre masse qu’on ne connaît pas encore, et son rôle c’est d’en donner une à ces particules: c’est le boson de Higgs. Dès l’annonce de l’événement il y a presque une année, notre collègue de rang et ami de longue date A. Houmada en poste de directeur des sciences de l’Académie des sciences et techniques Hassan II et ex-membre du BN du SNESUP, fut l’invité sur le plateau de l’une de nos chaînes nationales de télévision où il  a brillamment commenté ce phénomène physique.
Le Prix Nobel de 2014 est revenu à l’Américain d’origine japonaise Shuji Nakamura et aux Japonais Isamu Akasaki et Hiroshi Amano pour leur invention de la diode électroluminescente émettrice dans plusieurs couleurs y compris la lumière blanche.  Ils sont venus compléter la palette de couleurs à la disposition des producteurs pour couvrir tout le spectre visible, en jouant sur différents alliages à base de GaN, ce qui a rendu possibles des applications comme les écrans à LED, les diodes blanches ou encore les lasers bleus. A titre d’exemple, les diodes laser bleues sont utilisées dans la technologie des disques Blu-ray remplaçants les DVD et qui sont utilisés dans la PlayStation 3 commercialisée par Sony.
Ce sont des dispositifs obtenus à partir du nitrure de gallium principalement dopé à l’indium, en couches minces ou en hétérostructures. Ce matériau est considéré comme un semi-conducteur à large gap, ce qui lui permet d’être  utilisé par ailleurs en opto-électronique ou dans les dispositifs de hautes puissances et fréquences.
Le nitrure de gallium avec son gap de 3,43 eV  est venu en 1993 comme résultat de recherche de l’équipe (employée par la Nichia company au Japan) dirigée par S. Nakamura, au moment où les seules diodes électroluminescentes (LED) émettant dans le bleu étaient à base de carbure de silicium, un matériau nécessitant d’être dopé pour avoir de bonnes propriétés de semi-conducteur. Mais ce dopage affaiblit le pouvoir d’émission et rend ces dispositifs commercialement inexploitables.
Les premières LED au nitrure de gallium utilisaient une couche mince de nitrure formée par dépôt d’organométalliques en phase vapeur (MOCCVD) sur du saphir. Depuis, afin de s’affranchir de contraintes dues au désaccord de maille et de dilatation thermique entre le saphir et le GaN, d’autres substrats ont été utilisés (avec plus ou moins de succès) comme l’oxyde de zinc, le silicium ou le carbure de silicium.

A suivre

Nouguaoui Abdelkrime
Professeur à l’Université Mohammed Premier
Département de physique
Oujda