Des photodétecteurs rétractables comme celui-ci, créé et testé dans le laboratoire du professeur d'ingénierie UW-Madison Zhenqiang (Jack) Ma, aider à rendre l'électronique grand public plus petite. Crédit :Stéphanie Précourt/UW-Madison
Dans l'électronique de plus en plus puissante d'aujourd'hui, des matériaux minuscules sont indispensables car les fabricants cherchent à augmenter les performances sans ajouter de volume.
Plus petit est également préférable pour les appareils optoélectroniques, tels que les capteurs de caméra ou les cellules solaires, qui collectent la lumière et la convertissent en énergie électrique. Pense, par exemple, sur la réduction de la taille et du poids d'une série de panneaux solaires, produire une photo de meilleure qualité dans des conditions de faible éclairage, ou même transmettre des données plus rapidement.
Cependant, deux défis majeurs se sont dressés sur le chemin :tout d'abord, le rétrécissement de la taille des matériaux à couche mince "amorphes" conventionnellement utilisés réduit également leur qualité. Et deuxieme, lorsque les matériaux ultrafins deviennent trop fins, ils deviennent presque transparents et perdent en fait une certaine capacité à rassembler ou à absorber la lumière.
Maintenant, dans un photodétecteur nanométrique qui combine une méthode de fabrication unique et des structures de piégeage de la lumière, une équipe d'ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison et de l'Université de Buffalo a surmonté ces deux obstacles.
Les chercheurs - les professeurs de génie électrique Zhenqiang (Jack) Ma et Zongfu Yu à UW-Madison et Qiaoqiang Gan à Buffalo - ont décrit leur appareil, un photodétecteur nano-membranaire monocristallin en germanium sur substrat nano-cavité, aujourd'hui (7 juillet 2017) dans la revue Avancées scientifiques .
Zhenyang Xia, étudiant diplômé en génie électrique et informatique de l'UW-Madison, tient un plat contenant des échantillons de photodétecteurs. Les couleurs des échantillons varient en fonction de la façon dont elles sont réglées pour absorber une longueur d'onde de lumière spécifique. Crédit :Stéphanie Précourt/UW-Madison
"L'idée, essentiellement, est-ce que vous voulez utiliser un matériau très fin pour réaliser la même fonction d'appareils dans lesquels vous devez utiliser un matériau très épais, " dit Maman.
Le dispositif se compose de nano-cavités prises en sandwich entre une couche supérieure de germanium monocristallin ultrafin et une couche réfléchissante d'argent.
"En raison des nano-cavités, les photons sont « recyclés », de sorte que l'absorption de la lumière est considérablement augmentée, même dans des couches de matériau très minces, " dit Maman.
Les nano-cavités sont constituées d'une série ordonnée de minuscules, molécules interconnectées qui reflètent essentiellement, ou circuler, léger. Gan a déjà montré que ses structures à nano-cavités augmentent la quantité de lumière que les matériaux semi-conducteurs minces comme le germanium peuvent absorber.
Cependant, la plupart des films minces de germanium commencent sous forme de germanium sous sa forme amorphe, ce qui signifie que l'arrangement atomique du matériau n'a pas la forme régulière, ordre répété d'un cristal. Cela signifie également que sa qualité n'est pas suffisante pour des applications optoélectroniques de plus en plus petites.
Adapté pour absorber des longueurs d'onde lumineuses spécifiques, le nouveau photodétecteur se compose de nanocavités prises en sandwich entre une couche supérieure ultrafine en germanium monocristallin et de l'argent réfléchissant en dessous. Zhenyang Xia
C'est là que l'expertise de Ma entre en jeu. Expert mondial des dispositifs à nano-membranes semi-conductrices, Ma a utilisé une technologie révolutionnaire de transfert de membrane qui lui permet d'intégrer facilement des matériaux semi-conducteurs monocristallins sur un substrat.
Le résultat est un très mince, pourtant très efficace, photodétecteur absorbant la lumière—un élément constitutif de l'avenir de l'optoélectronique.
« C'est une technologie habilitante qui vous permet d'examiner une grande variété d'appareils optoélectroniques pouvant aller à des empreintes encore plus petites, tailles plus petites, " dit Yu, qui a effectué l'analyse informatique des détecteurs.
Alors que les chercheurs démontraient leur avancée en utilisant un semi-conducteur au germanium, ils peuvent également appliquer leur méthode à d'autres semi-conducteurs.
« Et surtout, en réglant la nano-cavité, nous pouvons contrôler quelle longueur d'onde nous absorbons réellement, ", dit Gan. "Cela ouvrira la voie au développement de nombreux dispositifs optoélectroniques différents."
