Soutenance de thèse de Yamina BENNOUR

Le laboratoire Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de l’Université d‘Etat du Michigan fournit des faisceaux d’ions de haute énergie permettant la production et l’étude d’isotopes rares. L’augmentation continue de l’énergie des faisceaux nécessaire pour accéder à des noyaux de plus en plus exotiques, rend très délicate l’identification des particules basée généralement, au FRIB, sur les mesures de la perte d’énergie et du temps de vol des particules. La réalisation d’un détecteur Cherenkov permettant une mesure directe de la vitesse des ions, apparaît par conséquent comme une solution efficace pour l’identification des particules à hautes énergies. Ce travail de thèse se focalise sur l’étude de l’impact de l’irradiation sur les propriétés optiques et structurelles de trois semiconducteurs à grands gaps (SiC, GaN et diamant) en vue de leur utilisation comme radiateur Cherenkov. L’objectif est d’identifier un matériau capable de générer un rayonnement Cherenkov détectable tout en présentant une bonne résistance à l’irradiation. Des échantillons de SiC dopé et non dopé, de GaN plans c et a, ainsi que de diamant mono- et polycristallin ont été irradiés à l’hydrogène et aux ions lourds sous différentes conditions, puis caractérisés à l’aide de techniques complémentaires et de simulations (SRIM, GEANT4, ROOT). Les irradiations ont été comparées à taux d’endommagement ou dpa (displacement per atom) comparables, permettant une analyse indépendante de la nature, de l’énergie et de la fluence des ions. Les premiers résultats ont porté sur les implantations d’hydrogène dans un large domaine de dpa dans les trois matériaux. En UV-Visible, une faible absorbance apparait à 270 nm après implantation à haute fluence (5 × 10¹⁵ H⁺/cm²) dans le diamant et donc loin du domaine d’émission Cherenkov. En revanche, le SiC dopé montre une large bande d’absorption centrée autour de 460 nm, liée au dopage, qui altèrerait fortement l’émission Cherenkov. Le GaN quant à lui présente une faible bande d’absorbance à 450 nm dus au monolacunes de gallium après implantation à haute fluence. La PL révèle des émissions associées aux défauts natifs NV⁰ dans le diamant, ainsi qu’une émission à 470 nm après implantation à haute fluence, attribuée à des défauts impliquant deux lacunes et deux atomes de carbone interstitiels (TR12). Les analyses Raman indiquent l’absence de contraintes structurales significatives induites par l’irradiation dans le diamant monocristallin et le GaN, contrairement au SiC où une compensation des défauts par les plasmons dus au dopage est observée. Les mesures PAS montrent que le diamant présente la plus faible concentration de lacunes après implantation, contrairement au GaN et au SiC dopé. Il ressort ces résultats que le diamant monocristallin présente la meilleure résistance à l’irradiation. Toutefois, des limitations liées surtout au coût restreignent son usage à grande échelle. Malgré une moins bonne résistance à l’irradiation comparativement au diamant, le SiC et le GaN présentent des performances largement suffisantes pour une application comme radiateur Cherenkov. Le SiC non dopé et le GaN ont donc été étudiés dans la suite avec des irradiations très proches de celles de FRIB. Les irradiations dans les conditions de FRIB se sont faites avec des dpa variant de 1e-12 à 1e-9 soient des valeurs plus faibles que dans la première partie de l’étude où les dpa variaient entre 1e-8 et 1e-3. On peut principalement noter qu’il n’y a aucune absorption dans le visible pour le SiC et GaN. Les différences fondamentales entre ces deux matériaux sont surtout mises en évidence en PL. Dans le GaN, les lacunes d’azote (VN) apparaissent clairement en PL comme une réponse directe aux irradiations à haute énergie (>85 MeV/n). Le SiC non dopé apparait au vue de tous ces résultats comme le matériau le plus performant pour la réalisation du radiateur Cherenkov. Sur la base des résultats obtenus, une ébauche préliminaire d’un prototype est proposée.