L'usage des lampes à mercure émettant à 254 nm s'était généralisé pour la désinfection UV de l'eau ou des surfaces en raison de leur faible coût. Mais à la suite de la convention de Minamata entrée en vigueur en 2017, il est aujourd'hui nécessaire de leur substituer des lampes sans mercure, de préférence émettant dans l'UV-C lointain (autour de 230 nm), moins agressif pour la peau et les yeux.
Les diodes électroluminescentes (LED) élaborées à partir de nitrure d'aluminium et de gallium semi-conducteur (AlGaN), émettant entre 230 et 280 nm, apparaissent comme de prometteuses candidates mais leur rendement est pour l'heure insuffisant, en raison d'un dopage de type p inefficace et de contacts ohmiques résistifs.
Pour pallier ces difficultés, des chercheurs de l'Irig étudient une alternative aux LED AlGaN, les lampes à cathodoluminescence. Celles-ci ne requièrent ni dopage ni contacts car leur principe consiste à exciter directement un matériau émetteur d'UV-C par des électrons de haute énergie, à l'intérieur d'un tube à vide. Les physiciens ont choisi comme matériau émetteur un empilement de boîtes quantiques (ou nanofils) d'AlGaN car les porteurs de charge sont confinés dans des espaces 3D. Leur recombinaison non radiative est ainsi réduite et l'efficacité de l'émission renforcée.
Un rendement prometteur
En collaboration avec l'Institut lumière matière (Université de Lyon), l'Institut Néel à Grenoble (CNRS) et le CEA-Leti, les scientifiques de l'Irig ont ainsi réalisé des empilements de boîtes quantiques auto-assemblés en AlxGa1–xN (inclus dans AlN) dont ils ont ajusté précisément les paramètres de croissance par épitaxie par jets moléculaires.
Les boîtes quantiques atteignent une efficacité quantique interne d'environ 50 % sur l'ensemble de la gamme spectrale 230-270 nm. De plus, elles présentent des rendements énergétiques supérieurs à ceux des LED AlGaN à 230 nm.
Cependant, les prototypes émettant à des longueurs d'onde inférieures à 270 nm présentent des spectres larges ou bimodaux dont les chercheurs ont pu préciser l'origine, liée à des défauts structurels du matériau semi-conducteur. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles recherches afin d'augmenter l'efficacité des lampes à cathodoluminescence pour la désinfection.