Les matériaux bidimensionnels appelés agrégats moléculaires sont des émetteurs de lumière très efficaces qui fonctionnent selon un principe différent de celui des diodes électroluminescentes organiques (OLED) ou des points quantiques. Mais leur potentiel en tant que composants pour de nouveaux types de dispositifs optoélectroniques a été limité par leur temps de réponse relativement lent. Maintenant, chercheurs du MIT, l'Université de Californie à Berkeley, et Northeastern University ont trouvé un moyen de surmonter cette limitation, ouvrant potentiellement une variété d'applications pour ces matériaux.

Les résultats sont décrits dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences , dans un article du professeur agrégé de génie mécanique du MIT Nicholas X. Fang, post-doctorants Qing Hu et Dafei Jin, et cinq autres.

La clé pour améliorer le temps de réponse de ces agrégats moléculaires 2D (2DMA), Fang et son équipe ont trouvé, consiste à coupler ce matériau avec une fine couche d'un métal tel que l'argent. L'interaction entre le 2DMA et le métal qui se trouve à quelques nanomètres seulement multiplie par plus de dix la vitesse des impulsions lumineuses du matériau.

Ces matériaux 2DMA présentent un certain nombre de propriétés inhabituelles et ont été utilisés pour créer des formes exotiques de matière, connu sous le nom de condensats de Bose-Einstein, à température ambiante, tandis que d'autres approches nécessitaient un refroidissement extrême. Ils ont également été appliqués dans des technologies telles que les cellules solaires et les antennes organiques de collecte de lumière. Mais le nouveau travail identifie pour la première fois la forte influence qu'une feuille de métal très proche peut avoir sur la façon dont ces matériaux émettent de la lumière.

Pour que ces matériaux soient utiles dans des dispositifs tels que les puces photoniques - qui sont comme des puces semi-conductrices mais effectuent leurs opérations en utilisant de la lumière au lieu d'électrons - " le défi est de pouvoir les allumer et éteindre rapidement, " ce qui n'était pas possible auparavant, dit Croc.

Avec le substrat métallique à proximité, le temps de réponse de l'émission lumineuse est passé de 60 picosecondes (milliardièmes de seconde) à seulement 2 picosecondes, Fang dit:"C'est assez excitant, car nous avons observé cet effet même lorsque le matériau est à 5 à 10 nanomètres de la surface, " avec une couche d'espacement de polymère entre les deux. C'est une séparation suffisante pour que la fabrication de tels matériaux appariés en quantité ne soit pas un processus trop exigeant. " C'est quelque chose que nous pensons pourrait être adapté à l'impression rouleau à rouleau, " il dit.

S'il est utilisé pour le traitement du signal, comme l'envoi de données par la lumière plutôt que par ondes radio, Croc dit, cette avancée pourrait conduire à un débit de transmission de données d'environ 40 gigahertz, ce qui est huit fois plus rapide que ce que ces appareils peuvent actuellement fournir. C'est "une étape très prometteuse, mais c'est encore très tôt" pour ce qui est de traduire cela en pratique, appareils manufacturables, il met en garde.

L'équipe n'a étudié qu'un des nombreux types d'agrégats moléculaires qui ont été développés, il peut donc encore être possible de trouver des variantes encore meilleures. "Il s'agit en fait d'une famille très riche de matériaux lumineux, " dit Croc.

Parce que la réactivité du matériau est si fortement influencée par la proximité exacte du substrat métallique à proximité, de tels systèmes pourraient également être utilisés pour des outils de mesure très précis. "L'interaction est réduite en fonction de la taille de l'écart, donc il pourrait maintenant être utilisé si nous voulons mesurer la proximité d'une surface, " dit Croc.

Alors que l'équipe poursuit ses études sur ces matériaux, une prochaine étape consiste à étudier les effets que la structuration de la surface métallique pourrait avoir, puisque les tests n'utilisaient jusqu'à présent que des surfaces planes. D'autres questions à traiter incluent la détermination de la durée de vie utile de ces matériaux et la manière dont elles pourraient être prolongées.

Fang dit qu'un premier prototype d'un appareil utilisant ce système pourrait être produit "d'ici un an environ".