La puissance accrue de la nouvelle technique de mesure pour caractériser les matériaux à des échelles beaucoup plus petites que toutes les technologies actuelles accélérera la découverte et l'étude de la 2-D, matériaux à l'échelle micro et nanométrique.

Être capable de mesurer avec précision les propriétés semi-conductrices des matériaux dans de petits volumes aide les ingénieurs à déterminer la gamme d'applications pour lesquelles ces matériaux peuvent convenir à l'avenir, d'autant plus que la taille des appareils électroniques et optiques continue de diminuer.

Daniel Wassermann, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique de la Cockrell School of Engineering, a dirigé l'équipe qui a construit le système physique, a développé la technique de mesure capable d'atteindre ce niveau de sensibilité et a démontré avec succès ses performances améliorées. Leur travail a été rapporté aujourd'hui dans Communication Nature .

L'approche de conception de l'équipe était axée sur le développement de la capacité à fournir des commentaires quantitatifs sur la qualité des matériaux, avec des applications particulières pour le développement et la fabrication de dispositifs optoélectroniques. La méthode démontrée est capable de mesurer de nombreux matériaux qui, selon les ingénieurs, seront un jour omniprésents dans les dispositifs optoélectroniques de la prochaine génération.

L'optoélectronique est l'étude et l'application d'appareils électroniques pouvant générer, détecter et contrôler la lumière. Dispositifs optoélectroniques qui détectent la lumière, appelés photodétecteurs, utiliser des matériaux qui génèrent des signaux électriques à partir de la lumière. Les photodétecteurs se trouvent dans les appareils photo des smartphones, cellules solaires et dans les systèmes de communication à fibre optique qui composent nos réseaux à large bande. Dans un matériau optoélectronique, le temps pendant lequel les électrons restent "photoexcités, " ou capable de produire un signal électrique, est un indicateur fiable de la qualité potentielle de ce matériau pour les applications de photodétection.

La méthode actuelle utilisée pour mesurer la dynamique des porteurs, ou des vies, d'électrons photoexcités est coûteux et complexe et ne mesure que des échantillons de matériaux à grande échelle avec une précision limitée. L'équipe de l'UT a décidé d'essayer d'utiliser une méthode différente pour quantifier ces durées de vie en plaçant de petits volumes de matériaux dans des circuits résonateurs hyperfréquences spécialement conçus. Les échantillons sont exposés à des champs de micro-ondes concentrés à l'intérieur du résonateur. Lorsque l'échantillon est frappé avec de la lumière, le signal du circuit hyperfréquence change, et le changement dans le circuit peut être lu sur un oscilloscope standard. La décroissance du signal hyperfréquence indique les durées de vie des porteurs de charge photoexcités dans de petits volumes du matériau placé dans le circuit.

« Mesurer la décroissance du signal électrique (micro-ondes) nous permet de mesurer la durée de vie du support des matériaux avec une bien plus grande précision, " a déclaré Wasserman. " Nous avons découvert qu'il s'agissait d'une méthode plus simple, méthode moins chère et plus efficace que les approches actuelles."

La durée de vie du support est un paramètre de matériau critique qui donne un aperçu de la qualité optique globale d'un matériau tout en déterminant la gamme d'applications pour lesquelles un matériau pourrait être utilisé lorsqu'il est intégré dans une structure de dispositif photodétecteur. Par exemple, les matériaux qui ont une très longue durée de vie des porteurs peuvent être de haute qualité optique et donc très sensibles, mais peut ne pas être utile pour les applications qui nécessitent une vitesse élevée.

"Malgré l'importance de la durée de vie du porteur, il n'y en a pas beaucoup, si seulement, des options sans contact pour caractériser des matériaux de petite surface tels que des pixels infrarouges ou des matériaux 2D, qui ont gagné en popularité et en importance technologique ces dernières années, " a déclaré Wasserman.

Un domaine qui bénéficiera certainement des applications réelles de cette technologie est la détection infrarouge, un élément essentiel de la détection moléculaire, l'imagerie thermique et certains systèmes de défense et de sécurité.

"Une meilleure compréhension des matériaux infrarouges pourrait conduire à des innovations dans les lunettes de vision nocturne ou les systèmes de spectroscopie et de détection infrarouges, " a déclaré Wasserman.

Des détecteurs à grande vitesse fonctionnant à ces fréquences pourraient même permettre le développement de la communication en espace libre dans l'infrarouge à grande longueur d'onde, une technologie permettant la communication sans fil dans des conditions difficiles, dans l'espace ou entre les bâtiments en milieu urbain.