La diode électroluminescente infrarouge accordable en longueur d'onde se compose d'une hétérostructure de phosphore noir et de bisulfure de molybdène (MoS2) sur un substrat de polyimide flexible. Crédit :Hyungjin Kim/UC Berkeley
Stress et la fatigue, appliqué de la bonne manière, peut parfois produire des résultats étonnants.
C'est ce que les chercheurs, dirigé par une équipe du département de génie électrique et informatique de l'UC Berkeley, découverte d'un matériau semi-conducteur émergent, le phosphore noir (BP), utilisé pour fabriquer deux types de dispositifs optoélectroniques :les diodes électroluminescentes (DEL) et les photodétecteurs.
Sous contrainte mécanique, La BP peut être induite pour émettre ou détecter une lumière infrarouge (IR) dans une gamme de longueurs d'onde souhaitables :de 2,3 à 5,5 micromètres, qui couvre l'IR des ondes courtes à moyennes - et pour le faire de manière réversible à température ambiante, selon les auteurs de l'étude Ali Javey, Lam Research Distinguished Chair in Semiconductor Processing et professeur de génie électrique, et le boursier postdoctoral Hyungjin Kim. Javey est également chercheur principal au Lawrence Berkeley National Laboratory.
Leurs résultats sont significatifs non seulement pour la capacité d'atteindre ces longueurs d'onde, Javey et Kim ont dit, mais pour le faire de manière réglable et dans un seul appareil. La technologie actuelle nécessiterait plusieurs dispositifs encombrants et différents matériaux semi-conducteurs pour obtenir des résultats similaires.
Ils ont décrit leurs découvertes dans La nature .
Javey et Kim ont déclaré que la possibilité d'utiliser une gamme plus large du spectre IR, accordable dans un seul appareil, pourrait aider à répondre à la demande croissante d'applications dans les communications optiques, imagerie thermique, Surveillance de la santé, spectroscopie, détection chimique et plus encore. Pour démontrer cette flexibilité, les chercheurs ont utilisé l'un de leurs nouveaux appareils pour détecter plusieurs gaz.
Le phosphore noir sur le substrat flexible est tendu lorsque le substrat est plié. Crédit :Hyungjin Kim/UC Berkeley
L'équipe dirigée par Berkeley a découvert que l'utilisation de fines couches de BP dans les dispositifs optoélectroniques et leur soumission à divers degrés de contrainte entraînent des longueurs d'onde de sortie réglables de manière réversible sur une plage étonnamment large. La longueur d'onde de sortie du BP et d'autres matériaux semi-conducteurs est une propriété connue sous le nom de bande interdite.
La plage spectrale sur laquelle un dispositif optoélectronique peut fonctionner est largement déterminée par la bande interdite de son matériau semi-conducteur. Différentes approches peuvent être utilisées pour obtenir la longueur d'onde de fonctionnement souhaitée pour une application donnée. Par exemple, les alliages—matériaux de composition variable—et la contrainte peuvent être utilisés pour régler la bande interdite. Bien que ces approches soient effectivement efficaces, ils se traduisent par des dispositifs avec des longueurs d'onde de fonctionnement fixes.
« Dans notre travail, nous pouvons modifier activement la bande interdite du phosphore noir de telle sorte qu'un seul photodétecteur ou LED puisse modifier ses longueurs d'onde de fonctionnement à l'intérieur, grossièrement, la gamme de deux à cinq micromètres, ", a déclaré Kim.
"On peut aller et venir autant de fois qu'on veut, " Kim a dit à propos des longueurs d'onde réglables de manière réversible des appareils basés sur BP. Ils exploitent les propriétés "magiques" de BP, il a dit, Plus précisément, sa bande interdite change sous tension, ce qui est beaucoup plus important que ceux observés avec les matériaux semi-conducteurs conventionnels.
"Il y a de l'innovation dans l'appareil lui-même, " Javey a dit, "mais le matériel que nous utilisons, phosphore noir, possède également des propriétés intrinsèquement uniques [bande interdite et sensibilité à la contrainte], et nous combinons ces deux caractéristiques clés."
Le phosphore noir est un matériau bidimensionnel comme le graphène. Dans un processus appelé exfoliation, les chercheurs utilisent du scotch pour soulever des couches nanométriques du matériau, qui est ensuite transféré sur un substrat polymère souple, dans ce cas le polyéthylène téréphtalate glycol (PETG).
L'application d'une contrainte peut moduler de manière active et réversible la longueur d'onde et l'énergie des photons des ondes électromagnétiques émises par le phosphore noir. Crédit :Hyungjin Kim/UC Berkeley
"Parce qu'il est mécaniquement flexible, nous pouvons le plier à un rayon souhaité et appliquer de manière contrôlable une contrainte à BP, " dit Kim. C'est-à-dire bending devient un bouton efficace pour moduler la bande interdite BP.
En effet, en raison de sa structure en treillis plissé, Kim a dit, BP présente des propriétés uniques dépendantes de la contrainte qui, en plus de la bande interdite, comprennent l'interaction réglable de van der Waals et la piézoélectricité. La souche peut être appliquée à BP de manière réversible en raison de sa nature de membrane mince, il a dit.
En une seule application, les chercheurs ont utilisé une technique appelée détection de gaz IR non dispersive. Parce que chaque gaz a sa propre bande d'absorption, c'est-à-dire la quantité de lumière qu'elle absorbe à une longueur d'onde spécifique - une LED IR accordable d'une plage de longueurs d'onde de sortie suffisante pourrait détecter, par exemple, dioxyde de carbone expulsé par la respiration humaine. C'est parce que le gaz absorbe la lumière à environ 4,3 micromètres, dans la plage des appareils de 2,3 à 5,5 micromètres. D'autres gaz détectables avec les LED BP accordables incluent le méthane et l'eau.
Une application pour les photodétecteurs BP pourrait être l'imagerie thermique. Il pourrait être utilisé, par exemple, dans les lunettes de vision nocturne pour détecter toute source de chaleur exothermique comme les corps humains. De tels photodétecteurs accordables seraient capables de produire une imagerie thermique sélective sur une gamme de longueurs d'onde IR.
Du point de vue des matériaux, il y a beaucoup d'intérêt à identifier de nouveaux semi-conducteurs plus efficaces dans cette gamme de longueurs d'onde, dit Javey. "C'est à ce moment-là que nous avons commencé à nous intéresser au phosphore noir, car on savait déjà qu'il avait une bande interdite qui chevauche l'IR à mi-onde. À partir de là, nous avons examiné comment nous pouvons construire des dispositifs efficaces comme des LED et des photodétecteurs utilisant ce matériau. la nouveauté ici est l'accordabilité - que vous pouvez ajuster activement l'appareil avec une contrainte sur une large plage de longueurs d'onde."
Avancer, Javey a dit, "Je pense que ce concept d'appareil peut être appliqué à d'autres parties du spectre, peut-être même en fabriquant des appareils qui pourraient fonctionner dans le régime visible. Cela pourrait permettre de nouveaux types d'affichages, par exemple, si ces concepts et matériaux peuvent être incorporés dans un produit manufacturable, manière évolutive, avec des dispositifs électromécaniques miniaturisés."
