La technologie de contrôle de l'absorption de la lumière à des longueurs d'onde sélectionnées dans les nanostructures a suscité beaucoup d'attention ces dernières années; cependant, l'ajustement dynamique des longueurs d'onde d'absorption sans changer également la géométrie de leur structure a été quelque peu insaisissable. Un article récemment publié dans Rapports scientifiques par le Dr Don Gregory, professeur distingué au Département de physique et d'astronomie de l'Université de l'Alabama à Huntsville (UAH), et son doctorat étudiant, Seyed Sadreddin Mirshafieyan, propose une solution pour y parvenir.

Leur papier, "Absorbeurs de lumière parfaits électriquement accordables en tant que filtres de couleur et modulateurs, " théorise comment la tension, lorsqu'il est appliqué à une structure de nanocavité constituée d'un matériau epsilon-near-zero (ENZ) tel que l'antimonure d'indium (InSb), permet la manipulation en temps réel des longueurs d'onde d'absorption et des couleurs de l'appareil, ce qui pourrait conduire à des avancées significatives dans les affichages, commutation, capteurs, et analyse spectrale.

La technologie de pointe des filtres colorés utilise ce que l'on appelle une nanocavité Fabry-Perot composée de minces semi-conducteurs et de films métalliques pour absorber la lumière à des longueurs d'onde sélectionnées. Le Dr Gregory décrit cette nanocavité comme analogue à deux miroirs, l'un hautement réfléchissant et l'autre partiellement transmis, avec la lumière entrant dans le miroir de transmission partielle et rebondissant sur le miroir parfaitement réfléchissant. "Si l'espacement des miroirs est juste, vous obtenez une interférence constructive entre la lumière voyageant dans les deux directions différentes, " dit-il. " Cela signifie que vous pouvez choisir quelle longueur d'onde est réfléchie par cette surface. " En d'autres termes, la longueur d'onde d'absorption - ou la couleur qui est réfléchie vers l'œil - est contrôlée par l'épaisseur de la nanocavité.

Jusqu'à maintenant, cette épaisseur a été déterminée par des couches fixes accordées pour une couleur particulière ou une autre. « Cela signifie pour une couche particulière d'épaisseur et un nombre particulier de couches, vous obtenez une couleur particulière reflétée à partir de cette combinaison, " explique le Dr Gregory. " Il faut changer l'épaisseur des couches pour obtenir une couleur différente, mais l'idée dans cet article est que nous pouvons construire ces différents matériaux et contrôler électriquement la lumière qui est réfléchie. Donc nous pourrions l'accorder pour le feu vert, lumière bleue, lumière rouge en changeant la tension entre les couches."

Sous la supervision du Dr Gregory, Mirshafieyan a modélisé une structure capable d'être réglée électriquement pour différentes longueurs d'onde d'absorption et un premier projet de son doctorat. la thèse est terminée.

La structure comprend un ultramince, un matériau ENZ d'épaisseur nanométrique appelé InSb et une couche de dioxyde de titane (TiO2) prise en sandwich entre deux miroirs d'argent. L'épaisseur totale de l'appareil y compris les miroirs, InSb, et TiO2 est inférieur à 200 nm, qui est 500 fois plus fin que les cheveux humains. InSb est un semi-conducteur III-V dont la densité de porteurs (lorsqu'il est dopé) est idéale pour la modulation de porteurs électriquement induite, le faisant se comporter plus comme un métal sous la bonne tension appliquée. Conscient de plusieurs tentatives antérieures mais souvent incomplètes pour obtenir des absorbeurs de lumière parfaits électriquement accordables, note Mirshafieyan, que "des chercheurs ont déjà montré que si vous modifiez l'épaisseur de la cavité, vous pouvez changer la couleur, mais c'est difficile dans les applications d'affichage en temps réel car l'épaisseur de chaque pixel est fixe. Nous voulons changer la couleur de chaque pixel de manière dynamique sans changer physiquement l'épaisseur de ce pixel."

Avec ces matériaux, l'indice de réfraction change avec le dopage utilisé à l'intérieur du matériau, ce que le Dr Gregory explique est le nombre d'électrons ou de trous que vous avez ajoutés au matériau semi-conducteur de base. "Donc, vous pouvez changer sa conductivité, sa résistivité dans la fabrication du matériau ou vous pouvez le faire avec une tension appliquée, " dit-il. " Vous n'avez pas besoin de changer physiquement la séparation entre les miroirs. " Cela peut être plus difficile qu'il n'y paraît selon les circonstances. " C'est assez facile de le faire en laboratoire avec deux miroirs. Nous pouvons changer l'espacement entre les miroirs et nous pouvons faire réfléchir la lumière de différentes couleurs, " dit-il. " Mais avoir deux miroirs qui sont fixes et ensuite changer l'indice de réfraction du matériau à l'intérieur, électriquement, en temps réel, c'est dur."

Ce dopage signifie également qu'il n'y a pas besoin de nanopatterning ou de création de matériaux exotiques supplémentaires, et c'est cette distinction qui sépare la structure de Mirshafieyan des itérations précédentes qui ont appelé à des changements dans la géométrie structurelle - une distinction qui a également des implications pour l'industrie des télécommunications.

Être capable de changer facilement l'indice de réfraction avec une faible tension appliquée aide également à expliquer pourquoi l'utilisation d'InSb par opposition à dire, silicium, peut s'avérer une meilleure option matérielle dans l'industrie des télécommunications ou de la commutation. L'application d'une tension aux commutateurs avec une couche active d'InSb augmente la densité de porteurs, et par conséquent, la permittivité, ce qui conduit à un changement plus important de l'indice de réfraction. "C'est la différence entre off et on qui compte vraiment, " dit le Dr Gregory. " Nous obtenons une différence beaucoup plus élevée entre off et on, ce qui signifie que nous pouvons fonctionner avec un taux d'erreur beaucoup plus faible. Et le taux d'erreur est primordial dans les télécommunications." Le résultat, donc, est une commutation à très grande vitesse.

Silicium, d'autre part, ne produit pas beaucoup de changement d'indice avec une tension appliquée. Même avec l'ajout d'autres matériaux conçus pour améliorer la commutation, le silicium ne peut actuellement pas égaler la fidélité de l'InSb.

Le Dr Gregory prévoit également que cette technologie pourrait remplacer complètement le silicium dans la commutation. Et si l'utilisation d'InSb n'est pas forcément moins chère, il pourrait s'avérer plus rentable à long terme en raison de l'amélioration des taux d'erreur sur les bits, pour lesquels les gens seraient prêts à payer.

Quant aux applications d'affichage, cette technologie pourrait générer des écrans encore plus fins et plus rapides que ceux actuellement sur le marché, sans les mêmes problèmes de contrôle qualité.

La technologie LCD et LED actuelle se compose de plusieurs composants différents en plus des cristaux liquides eux-mêmes. "Et chaque pile a une épaisseur, " dit Mirshafieyan. " Mais avec la technologie InSb, vous pouvez tout combiner. C'est lui-même un filtre de couleur. un beaucoup plus mince, plus rapide, un affichage à plus haute résolution est possible.

« Si vous avez déjà essayé de regarder un match de hockey sur un téléviseur à cristaux liquides, vous ne pouvez pas du tout suivre la rondelle sur la glace, et c'est parce que le téléviseur ne peut pas fonctionner à des débits suffisamment élevés, ", explique le Dr Gregory. Cela est dû aux distorsions d'image créées par la variation des couches de nombreux écrans à cristaux liquides et à la vitesse de réaction de base.

Cependant, ces problèmes de contrôle de la qualité pourraient être éliminés avec la technologie proposée par le Dr Gregory et Mirshafieyan, car elle permettrait de réduire la taille des pixels. "Nous pouvons créer de très petits pixels avec cette technologie car elle n'a pas de nanomotif qui limite le processus de fabrication, " dit Mirshafieyan. " Nous pouvons créer des pixels ultra-ultra petits avec des couleurs distinctes et cela améliorera la qualité de l'affichage bien au-delà de ce qui est disponible actuellement. "