Un absorbeur à large bande presque parfait qui est mince, flexible et transparent à la lumière visible. Crédit:UC San Diego Jacobs School of Engineering
Revêtements de fenêtre transparents qui gardent les bâtiments et les voitures au frais les jours ensoleillés. Des appareils qui pourraient plus que tripler l'efficacité des cellules solaires. Mince, boucliers légers qui bloquent la détection thermique. Ce sont des applications potentielles pour un mince, souple, matériau absorbant la lumière développé par des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego.
Le matériel, appelé absorbeur à large bande presque parfait, absorbe plus de 87 pour cent de la lumière proche infrarouge (1, 200 à 2, longueurs d'onde de 200 nanomètres), avec 98 % d'absorption à 1, 550 nanomètres, la longueur d'onde pour la communication par fibre optique. Le matériau est capable d'absorber la lumière sous tous les angles. Il peut également théoriquement être personnalisé pour absorber certaines longueurs d'onde de la lumière tout en laissant passer d'autres.
Des matériaux absorbant "parfaitement" la lumière existent déjà, mais ils sont volumineux et peuvent se casser lorsqu'ils sont pliés. Ils ne peuvent pas non plus être contrôlés pour n'absorber qu'une gamme sélectionnée de longueurs d'onde, ce qui est un inconvénient pour certaines applications. Imaginez si un revêtement de fenêtre utilisé pour le refroidissement ne bloque pas seulement le rayonnement infrarouge, mais aussi des ondes lumineuses et radio normales qui transmettent des programmes de télévision et de radio.
En développant une nouvelle conception à base de nanoparticules, une équipe dirigée par les professeurs Zhaowei Liu et Donald Sirbuly de la UC San Diego Jacobs School of Engineering a créé un absorbeur à large bande mince, flexible et ajustable. Le travail a été publié en ligne le 24 janvier dans Actes de l'Académie nationale des sciences .
Schéma du réseau de nanotubes. Crédit:UC San Diego Jacobs School of Engineering
« Ce matériel offre du haut débit, mais une absorption sélective qui pourrait être réglée sur des parties distinctes du spectre électromagnétique, " dit Liu.
L'absorbeur repose sur des phénomènes optiques appelés résonances plasmoniques de surface, qui sont des mouvements collectifs d'électrons libres qui se produisent à la surface des nanoparticules métalliques lors de l'interaction avec certaines longueurs d'onde de la lumière. Les nanoparticules métalliques peuvent transporter beaucoup d'électrons libres, ils présentent donc une forte résonance plasmonique de surface, mais principalement en lumière visible, pas dans l'infrarouge.
Les ingénieurs de l'UC San Diego ont estimé que s'ils pouvaient changer le nombre de porteurs d'électrons libres, ils pourraient ajuster la résonance plasmonique de surface du matériau à différentes longueurs d'onde de la lumière. "Faites ce nombre plus bas, et on peut pousser la résonance plasmon vers l'infrarouge. Augmenter le nombre, avec plus d'électrons, et nous pouvons pousser la résonance plasmon vers la région ultraviolette, " a déclaré Sirbuly. Le problème avec cette approche est qu'elle est difficile à faire dans les métaux.
Pour relever ce défi, les ingénieurs ont conçu et construit un absorbeur à partir de matériaux pouvant être modifiés, ou dopé, transporter une quantité différente d'électrons libres :les semi-conducteurs. Les chercheurs ont utilisé un semi-conducteur appelé oxyde de zinc, qui a un nombre modéré d'électrons libres, et combiné avec sa version métallique, oxyde de zinc dopé à l'aluminium, qui abrite un grand nombre d'électrons libres - pas autant qu'un métal réel, mais suffisant pour lui conférer des propriétés plasmoniques dans l'infrarouge.
Images SEM d'un réseau de nanotubes :vue latérale (à gauche) et vue de dessus (à droite). Crédit:UC San Diego Jacobs School of Engineering
Les matériaux ont été combinés et structurés de manière précise à l'aide de technologies de nanofabrication avancées dans la salle blanche Nano3 du Qualcomm Institute de l'UC San Diego. Les matériaux ont été déposés une couche atomique à la fois sur un substrat de silicium pour créer un réseau de nanotubes debout, chacun étant constitué d'anneaux concentriques alternés d'oxyde de zinc et d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium. Les tubes sont 1, 730 nanomètres de hauteur, 650 à 770 nanomètres de diamètre, et espacés de moins de cent nanomètres. Le réseau de nanotubes a ensuite été transféré du substrat de silicium à un mince, polymère élastique. Le résultat est un matériau fin, flexible et transparent dans le visible.
« Il y a différents paramètres que nous pouvons modifier dans cette conception pour adapter la bande d'absorption du matériau :la taille de l'écart entre les tubes, le rapport des matériaux, les types de matériaux, et la concentration en porteurs d'électrons. Nos simulations montrent que c'est possible, " a déclaré Conor Riley, un récent doctorat en nano-ingénierie. diplômé de l'UC San Diego et le premier auteur de ce travail. Riley est actuellement chercheur postdoctoral dans le groupe Sirbuly.
Ce ne sont là que quelques caractéristiques intéressantes de cette conception à base de particules, les chercheurs ont dit. Il est également potentiellement transférable sur tout type de substrat et peut être agrandi pour créer des dispositifs de grande surface, comme les absorbeurs à large bande pour les grandes fenêtres. « Les nanomatériaux ne sont normalement pas fabriqués à des échelles supérieures à quelques centimètres, ce serait donc un grand pas dans cette direction, " a déclaré Sirbuly.
La technologie est encore au stade de développement. Les équipes de Liu et Sirbuly continuent de travailler ensemble pour explorer différents matériaux, géométries et conceptions pour développer des absorbeurs qui fonctionnent à différentes longueurs d'onde de la lumière pour diverses applications.
