Les appareils photo numériques ainsi que de nombreux autres appareils électroniques ont besoin de capteurs sensibles à la lumière. Afin de répondre à la demande croissante de composants optoélectroniques de ce type, l'industrie est à la recherche de nouveaux matériaux semi-conducteurs. Ils sont non seulement censés couvrir une large gamme de longueurs d'onde, mais devraient également être peu coûteux. Un matériau hybride, développé à Dresde, remplit ces deux exigences. Himani Arora, un doctorat en physique étudiant à Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ont démontré que ce cadre métal-organique peut être utilisé comme photodétecteur à large bande. Comme il ne contient pas de matières premières coûteuses, il peut être produit en vrac à peu de frais.

Au cours des vingt dernières années, Les charpentes métallo-organiques (MOF) sont devenues un système de matériaux convoité. Jusque là, ces substances très poreuses, dont jusqu'à 90 % sont composés d'espaces vides, ont été largement utilisés pour stocker des gaz, pour la catalyse ou pour libérer lentement des médicaments dans le corps humain. "Le composé de structure métal-organique développé à TU Dresden comprend un matériau organique intégré avec des ions de fer, " explique le Dr Artur Erbe, chef du groupe "Transport dans les nanostructures" à l'Institut de recherche sur la physique et les matériaux des faisceaux d'ions du HZDR. "La particularité est que la charpente forme des couches superposées aux propriétés semi-conductrices, ce qui le rend potentiellement intéressant pour des applications optoélectroniques."

Le groupe a eu l'idée d'utiliser le nouveau MOF bidimensionnel semi-conducteur comme photodétecteur. Pour aller plus loin, Himani Arora a étudié les propriétés électroniques du semi-conducteur. Elle a exploré, entre autres, dans quelle mesure la sensibilité à la lumière dépendait de la température et de la longueur d'onde - et est parvenue à une conclusion prometteuse :de 400 à 1, 575 nanomètres, le semi-conducteur pouvait détecter une large gamme de longueurs d'onde lumineuses. Le spectre du rayonnement va ainsi de l'ultraviolet au proche infrarouge. "C'est la première fois que nous démontrons une telle photodétection à large bande pour un photodétecteur entièrement basé sur des couches MOF, " note le doctorant. " Ce sont des propriétés idéales pour utiliser le matériau comme élément actif dans des composants optoélectroniques. "

La petite bande interdite rend l'efficacité

Le spectre de longueurs d'onde qu'un matériau semi-conducteur peut couvrir et transformer en signaux électriques dépend essentiellement de la bande interdite. Les experts utilisent ce terme pour décrire la distance énergétique entre la bande de valence et la bande de conduction d'un matériau à l'état solide. Dans les semi-conducteurs typiques, la bande de valence est complètement pleine, donc les électrons ne peuvent pas se déplacer. La bande de conduction, d'autre part, est en grande partie vide, ainsi les électrons peuvent se déplacer librement et influencer le flux de courant. Alors que la bande interdite dans les isolants est si grande que les électrons ne peuvent pas sauter de la bande de cantonnière à la bande de conduction, les conducteurs métalliques n'ont pas de tels espaces. La bande interdite d'un semi-conducteur est juste assez grande pour élever les électrons au niveau d'énergie supérieur de la bande de conduction en utilisant les ondes lumineuses. Plus la bande interdite est petite, plus l'énergie nécessaire pour exciter un électron est faible. "Comme la bande interdite dans le matériau que nous avons exploré est très faible, seulement très peu d'énergie lumineuse est nécessaire pour induire l'électricité, " explique Himani Arora. " C'est la raison de la large gamme du spectre détectable. "

En refroidissant le détecteur à des températures plus basses, les performances peuvent être encore améliorées car l'excitation thermique des électrons est supprimée. D'autres améliorations incluent l'optimisation de la configuration des composants, produire des contacts plus fiables et développer davantage le matériel. Les résultats suggèrent que les photodétecteurs à base de MOF auront un bel avenir. Grâce à leurs propriétés électroniques et à leur fabrication peu coûteuse, Les couches MOF sont des candidats prometteurs pour une multitude d'applications optoélectroniques.

"La prochaine étape consiste à mettre à l'échelle l'épaisseur de la couche, " dit Artur Erbe, avoir hâte de. "Dans l'étude, Des films MOF de 1,7 micromètre ont été utilisés pour construire le photodétecteur. Pour les intégrer dans des composants, ils doivent être considérablement plus minces." Si possible, le but est de réduire les couches superposées à 70 nanomètres, C'est, 25 fois plus petit que leur taille. Jusqu'à cette épaisseur de couche, le matériau doit présenter des propriétés comparables. Si le groupe peut prouver que la fonctionnalité reste la même dans ces couches nettement plus fines, ils peuvent alors se lancer dans son développement jusqu'au stade de la production.