Des chercheurs de l'Université Duke ont démontré des photodétecteurs qui pourraient couvrir une gamme sans précédent de fréquences lumineuses en utilisant des filtres spectraux sur puce créés par des matériaux électromagnétiques sur mesure. La combinaison de plusieurs photodétecteurs avec différentes réponses en fréquence sur une seule puce pourrait permettre un poids léger, caméras multispectrales bon marché pour des applications telles que la chirurgie du cancer, inspection de la sécurité alimentaire et agriculture de précision.

Une caméra typique ne capture que la lumière visible, qui est une petite fraction du spectre disponible. D'autres caméras peuvent se spécialiser dans les longueurs d'onde infrarouges ou ultraviolettes, par exemple, mais peu peuvent capturer la lumière à partir de points disparates le long du spectre. Et ceux qui peuvent souffrir d'une myriade d'inconvénients, comme la fabrication compliquée et peu fiable, vitesses fonctionnelles lentes, un encombrement qui peut les rendre difficiles à transporter, et coûte jusqu'à des centaines de milliers de dollars.

Dans une recherche publiée en ligne le 25 novembre dans la revue Matériaux naturels , Les chercheurs de Duke font la démonstration d'un nouveau type de photodétecteur à large spectre pouvant être mis en œuvre sur une seule puce, lui permettant de capturer une image multispectrale en quelques billions de seconde et d'être produit pour seulement quelques dizaines de dollars. La technologie est basée sur la physique appelée plasmonique, c'est-à-dire l'utilisation de phénomènes physiques à l'échelle nanométrique pour piéger certaines fréquences de lumière.

"La lumière piégée provoque une forte augmentation de la température, ce qui nous permet d'utiliser ces matériaux cool mais presque oubliés appelés pyroélectriques, " a déclaré Maiken Mikkelsen, le James N. et Elizabeth H. Barton professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université Duke. "Mais maintenant que nous les avons dépoussiérés et combinés avec une technologie de pointe, nous avons pu fabriquer ces détecteurs incroyablement rapides qui peuvent également détecter la fréquence de la lumière entrante. »

Selon Mikkelsen, des photodétecteurs commerciaux ont déjà été fabriqués avec ces types de matériaux pyroélectriques, mais ont toujours souffert de deux inconvénients majeurs. Ils n'ont pas pu se concentrer sur des fréquences électromagnétiques spécifiques, et les couches épaisses de matériau pyroélectrique nécessaires pour créer suffisamment de signal électrique les ont amenés à fonctionner à des vitesses très lentes.

"Mais nos détecteurs plasmoniques peuvent être tournés vers n'importe quelle fréquence et piéger tellement d'énergie qu'ils génèrent beaucoup de chaleur, " a déclaré Jon Stewart, un étudiant diplômé du laboratoire de Mikkelsen et premier auteur de l'article. "Cette efficacité signifie que nous n'avons besoin que d'une fine couche de matériau, ce qui accélère considérablement le processus."

Le précédent record de temps de détection dans tout type de caméra thermique avec filtre sur puce, qu'il utilise ou non des matériaux pyroélectriques, était de 337 microsecondes. L'approche plasmonique de Mikkelsen a déclenché un signal en seulement 700 picosecondes, soit environ 500, 000 fois plus rapide. Mais parce que ces temps de détection étaient limités par les instruments expérimentaux utilisés pour les mesurer, les nouveaux photodétecteurs pourraient fonctionner encore plus rapidement à l'avenir.

Pour y parvenir, Mikkelsen et son équipe ont façonné des cubes d'argent d'une centaine de nanomètres de large et les ont placés sur un film transparent à quelques nanomètres seulement au-dessus d'une fine couche d'or. Lorsque la lumière frappe la surface d'un nanocube, il excite les électrons de l'argent, piégeant l'énergie de la lumière, mais seulement à une fréquence spécifique.

La taille des nanocubes d'argent et leur distance par rapport à la couche de base d'or déterminent cette fréquence, tandis que la quantité de lumière absorbée peut être réglée en contrôlant l'espacement entre les nanoparticules. En adaptant précisément ces tailles et espacements, les chercheurs peuvent faire en sorte que le système réponde à n'importe quelle fréquence électromagnétique qu'ils souhaitent.

Pour exploiter ce phénomène physique fondamental pour une caméra hyperspectrale commerciale, les chercheurs auraient besoin de façonner une grille de minuscules, détecteurs individuels, chacun réglé sur une fréquence de lumière différente, dans un "superpixel" plus grand.

Dans un pas vers cette fin, l'équipe fait la démonstration de quatre photodétecteurs individuels adaptés à des longueurs d'onde comprises entre 750 et 1900 nanomètres. Les métasurfaces plasmoniques absorbent l'énergie des fréquences spécifiques de la lumière entrante et se réchauffent. La chaleur induit un changement dans la structure cristalline d'une fine couche de matériau pyroélectrique appelé nitrure d'aluminium située directement en dessous d'eux. Ce changement structurel crée une tension, qui est ensuite lu par une couche inférieure d'un contact semi-conducteur en silicium qui transmet le signal à un ordinateur à analyser.

"Ce n'était pas évident du tout que nous puissions faire ça, " a déclaré Mikkelsen. " C'est assez étonnant en fait que non seulement nos photodétecteurs fonctionnent, mais nous voyons du nouveau, phénomènes physiques inattendus qui nous permettront d'accélérer la vitesse à laquelle nous pouvons effectuer cette détection de plusieurs ordres de grandeur."

Mikkelsen voit plusieurs utilisations potentielles pour les caméras commerciales basées sur la technologie, car le processus nécessaire à la fabrication de ces photodétecteurs est relativement rapide, bon marché et évolutif.

Les chirurgiens pourraient utiliser l'imagerie multispectrale pour faire la différence entre les tissus cancéreux et sains pendant la chirurgie. Les inspecteurs de la salubrité des aliments et de l'eau pourraient l'utiliser pour savoir quand une poitrine de poulet est contaminée par des bactéries dangereuses.

Avec le soutien d'une nouvelle bourse Moore Inventor de la Gordon and Betty Moore Foundation, Mikkelsen a jeté son dévolu sur l'agriculture de précision comme première cible. Alors que les plantes peuvent seulement sembler vertes ou brunes à l'œil nu, la lumière en dehors du spectre visible qui est réfléchie par leurs feuilles contient une corne d'abondance d'informations précieuses.

"L'obtention d'une 'empreinte spectrale' permet d'identifier précisément un matériau et sa composition, " a déclaré Mikkelsen. " Non seulement il peut indiquer le type de plante, mais il peut aussi déterminer son état, s'il a besoin d'eau, est stressé ou a une faible teneur en azote, indiquant un besoin d'engrais. C'est vraiment étonnant de voir tout ce que nous pouvons apprendre sur les plantes en étudiant simplement une image spectrale d'elles."

L'imagerie hyperspectrale pourrait permettre une agriculture de précision en permettant aux engrais, pesticides, herbicides et eau à n'appliquer qu'en cas de besoin, économiser de l'eau et de l'argent et réduire la pollution. Imaginez une caméra hyperspectrale montée sur un drone cartographiant l'état d'un champ et transmettant cette information à un tracteur conçu pour fournir des engrais ou des pesticides à des taux variables à travers les champs.

On estime que le processus actuellement utilisé pour produire des engrais représente jusqu'à deux pour cent de la consommation mondiale d'énergie et jusqu'à trois pour cent des émissions mondiales de dioxyde de carbone. À la fois, les chercheurs estiment que 50 à 60 pour cent des engrais produits sont gaspillés. Comptabilisation des engrais seuls, l'agriculture de précision recèle un énorme potentiel d'économies d'énergie et de réduction des gaz à effet de serre, sans parler des économies de coûts directes estimées à 8,5 milliards de dollars chaque année, selon le ministère de l'Agriculture des États-Unis.

Plusieurs entreprises poursuivent déjà ce type de projets. Par exemple, IBM pilote un projet en Inde utilisant l'imagerie satellite pour évaluer les cultures de cette manière. Cette approche, cependant, est très coûteux et limitant, c'est pourquoi Mikkelsen envisage une solution bon marché, détecteur portable qui pourrait imager les champs cultivés depuis le sol ou depuis des drones peu coûteux.

« Imaginez l'impact non seulement aux États-Unis, mais aussi dans les pays à revenu faible et intermédiaire où il y a souvent des pénuries d'engrais et d'eau, " a déclaré Mikkelsen. " En sachant où appliquer ces ressources rares, nous pourrions augmenter considérablement le rendement des cultures et aider à réduire la famine. »