Le pentoxyde de niobium Nb2O5 est utilisé en couches minces pour diverses applications en raison de remarquables propriétés chimiques (résistance à la corrosion) et optiques (fort indice de réfraction et faible absorption) :
- verres réfringents, filtres optiques,
- génération optique de seconde harmonique dans des guides d'onde,
- capteurs de dioxygène,
- dispositifs électrochromes ou catalytiques.
En collaboration avec l'Université de l'Ohio (États-Unis), les chercheurs de l'Iramis (CIMAP, à Caen) ont étudié le dopage de ce matériau avec une terre rare luminescente, l'ion terbium Tb3+, afin d'élargir encore la palette de ses usages.
Dans le cadre d'un projet soutenu par la Région Normandie (REFEREE), ils souhaitent en particulier cibler le développement de couches minces assurant un refroidissement radiatif via une transparence maximale dans le domaine visible et une forte absorption dans l'infrarouge.
Ils sont parvenus à déposer sur un substrat de silicium des couches minces de Nb2O5, dopées ou non avec des ions Tb3+. Ces couches ont été obtenues à partir de la pulvérisation cathodique de cibles de Nb2O5 et Tb4O7 de haute pureté, suivie d'un recuit thermique rapide entre 400°C et 900°C. Les propriétés structurales des films ont été étudiées par spectroscopie de rétrodiffusion Rutherford, diffraction des rayons X et microscopie électronique à transmission à haute résolution. Leurs propriétés optiques et luminescentes ont, quant à elles, été analysées par ellipsométrie, transmission optique, spectroscopie Raman et de photoluminescence.
Les chercheurs ont ainsi pu établir que les variations d'indice de réfraction (dépendant de la structure cristalline ou amorphe) sont reliées non seulement à la température de recuit, mais aussi à la teneur en Tb3+. Ils ont également pu corréler l'efficacité de photoluminescence des ions Tb3+ avec les propriétés électroniques des films Nb2O5.
Le matériau étudié présente donc les caractéristiques requises pour l'application de refroidissement radiatif diurne visée par le projet REFEREE. Cependant, la structure électronique montre qu'une autre terre rare, l'ion europium Eu3+, pourrait conduire à de meilleures performances.