Étude comparative de l'effet de l'irradiation sur le SiC, le GaN et le diamant pour une potentielle application comme radiateur Cherenkov au FRIB
Le laboratoire Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de l'Université d État du Michigan fournit des faisceaux d'ions de hautes énergies permettant la production et l'étude d'isotopes rares. L'augmentation continue de l'énergie des faisceaux nécessaires pour accéder à d...
Gorde:
| Egile nagusia: | |
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| Beste egile batzuk: | , , , , , , , |
| Formatua: | Thèse numérique |
| Hizkuntza: | Français |
| Argitaratua: |
2026.
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| Sarrera elektronikoa: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2026ORLE1005_va.pdf https://theses.fr/2026ORLE1005/abes https://theses.hal.science/tel-05695865 |
| Oharra: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : CEMHTI - Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Rosine Coq Germanicus (Président du jury) ; Mihai Bogdan Lazar, Frédéric Mazen, Anne Migan-Dubois, Nicole Doumit, Jacques Botsoa (Membre(s) du jury) ; Rosine Coq Germanicus, Mihai Bogdan Lazar (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Comparison study of the irradiation effect on SiC, GaN and diamond for their potential use as a Cherenkov radiator at FRIB |
| Gaia: | Le laboratoire Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de l'Université d État du Michigan fournit des faisceaux d'ions de hautes énergies permettant la production et l'étude d'isotopes rares. L'augmentation continue de l'énergie des faisceaux nécessaires 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. Les irradiations ont été comparées à taux d'endommagement ou dpa (displacement per atom) comparable, 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 absorption apparait à 270 nm après implantation à haute fluence (5 . 10 H /cm ) 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 due aux monolacunes de gallium après implantation à haute fluence. La PL révèle des émissions associées aux défauts natifs NV 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 radiateurs 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 10e-12 à 10e-9 soient des valeurs plus faibles que dans la première partie de l'étude où les dpa variaient entre 1e-8 et 1e-3. Il convient principalement de 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 apparaît au vu de tous ces résultats comme le matériau le plus performant pour la réalisation du radiateur Cherenkov. The Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) laboratory at Michigan State University provides high-energy ion beams for producing and studying rare isotopes. As beam energies continue to rise to access increasingly exotic nuclei, particle identification becomes more difficult when relying on the conventional FRIB techniques, which primarily use energy-loss and time-of-flight measurements. In this context, developing a Cherenkov detector offers an effective solution for high-energy particle identification.This PhD work focuses on the study of irradiation effects on the optical and structural properties of three wide-bandgap semiconductors (SiC, GaN, and diamond) with the goal of assessing their suitability as Cherenkov radiators. The aim is to identify a material capable of generating a detectable Cherenkov signal while maintaining strong resistance to radiation damage. Samples of doped and undoped SiC, GaN with c- and a-plane orientations, as well as mono- and polycrystalline diamond, were irradiated with hydrogen and heavy ions under various conditions. The materials were then characterized using complementary experimental techniques, supported by simulations performed with SRIM, GEANT4, and ROOT. Irradiation effects were compared at equivalent damage levels, expressed as displacements per atom (dpa), allowing an analysis independent of the ion species, energy, and fluence. The first set of results concerns hydrogen implantation across a wide dpa range in the three materials. UV-Visible spectroscopy reveals a weak absorption band at 270 nm in diamond after high-fluence implantation (5 . 10 H /cm ), well outside the Cherenkov emission range. In contrast, doped SiC exhibits a broad absorption band centered around 460 nm, attributed to doping, which would significantly degrade Cherenkov emission. GaN shows a weak absorption band near 450 nm associated with gallium vacancies (VGa) after high-fluence implantation. Photoluminescence measurements reveal emissions from native NV centers in diamond, as well as an emission at 470 nm related to the TR12 defect after high-fluence implantation. Raman analyses indicate no significant irradiation-induced structural stress in monocrystalline diamond or GaN (c- and a-plane), whereas in SiC, irradiation-induced defects appear to be compensated by doping-related plasmons. Positron annihilation spectroscopy shows that diamond has the lowest vacancy concentration after implantation, unlike a-plane GaN and doped SiC. Overall, monocrystalline diamond demonstrates the highest resistance to irradiation; however, its large-scale use is limited mainly by cost. Despite being less radiation-resistant than diamond, SiC and GaN show performance levels sufficient for Cherenkov radiator applications. Consequently, undoped SiC and GaN were selected for further investigations under irradiation conditions close to those used at FRIB. Irradiations under FRIB-like conditions were carried out with dpa values ranging from 1e-12 to 1e-9, much lower than those explored in the first part of the study (1e-8 to 1e-3). Under these conditions, neither SiC nor GaN shows any visible-range absorption. Fundamental differences between the two materials are mainly revealed by photoluminescence measurements. In GaN, nitrogen vacancies (VN) ) appear clearly in PL as a direct response to high-energy irradiations (>85 MeV/n). Based on all results, undoped SiC emerges as the most promising Cherenkov radiator material. This conclusion is further supported by ROOT simulations, which show improved isotopic separation compared to GaN. Based on these results, a preliminary prototype design is proposed, and different detection methods are compared. |
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| Alearen deskribapena: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : CEMHTI - Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Rosine Coq Germanicus (Président du jury) ; Mihai Bogdan Lazar, Frédéric Mazen, Anne Migan-Dubois, Nicole Doumit, Jacques Botsoa (Membre(s) du jury) ; Rosine Coq Germanicus, Mihai Bogdan Lazar (Rapporteur(s)) |
| Formatua: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |
| Sartu: | Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 09 juin 2026 |