Bin Liu, premier auteur de l'article, est montré dans le laboratoire en train de charger un échantillon diélectrique à motifs dans une boîte à gants. Le nouveau détecteur est l'une des premières démonstrations d'un dispositif optoélectronique pratique basé sur les polaritons. Crédit :Forrest Lab, Université du Michigan. Photo de Silvia Cardarelli.
Des chercheurs ont mis au point un nouveau type de photodétecteur à haut rendement inspiré des complexes photosynthétiques que les plantes utilisent pour transformer la lumière du soleil en énergie. Les photodétecteurs sont utilisés dans les caméras, les systèmes de communication optique et de nombreuses autres applications pour transformer les photons en signaux électriques.
"Nos appareils combinent le transport à longue distance de l'énergie optique avec la conversion à longue distance en courant électrique", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Stephen Forrest de l'Université du Michigan. "Cet arrangement, analogue à ce que l'on voit dans les plantes, a le potentiel d'améliorer considérablement l'efficacité de la production d'énergie des cellules solaires, qui utilisent des dispositifs similaires aux photodétecteurs pour convertir la lumière du soleil en énergie."
Les complexes photosynthétiques trouvés dans de nombreuses plantes consistent en une grande région absorbant la lumière qui fournit de l'énergie moléculaire à l'état excité à un centre de réaction où l'énergie est convertie en charge. Bien que cette configuration soit très efficace, l'imiter nécessite de réaliser un transport d'énergie à longue distance dans un matériau organique, ce qui s'est avéré difficile à réaliser.
Pour accomplir cette tâche apparemment impossible, les chercheurs ont utilisé des quasi-particules uniques appelées polaritons. Dans Optica journal, Forrest et ses collègues rapportent leur nouveau détecteur, qui génère des polaritons dans un film mince organique.
"Un polariton combine un état moléculaire excité avec un photon, lui conférant à la fois des propriétés de type lumière et de type matière qui permettent le transport et la conversion d'énergie à longue distance", a déclaré Forrest. "Ce photodétecteur est l'une des premières démonstrations d'un dispositif optoélectronique pratique basé sur les polaritons."
S'inspirer des plantes
Les chercheurs ont envisagé le nouveau détecteur il y a plusieurs années tout en cherchant des moyens de fabriquer de meilleures cellules solaires. "Après avoir observé la propagation des polaritons sur de longues distances dans des structures simples telles qu'un miroir avec un film organique à sa surface, nous avons pensé qu'il serait possible de créer un analogue photosynthétique à l'aide de polaritons", a déclaré Forrest. "Cependant, il était assez difficile de comprendre comment construire un tel appareil."
Pour créer un photodétecteur à base de polaritons, les chercheurs ont dû concevoir des structures permettant la propagation des polaritons sur de longues distances dans un film mince semi-conducteur organique. Ils devaient également trouver comment intégrer un simple détecteur organique dans la région de propagation de manière à produire une conversion polariton-charge efficace.
"Nous avons emprunté des structures que nous avions précédemment conçues pour créer des cellules photovoltaïques organiques efficaces", a déclaré Forrest. "C'était un peu fortuit que ces structures aient permis de récolter efficacement l'énergie transportée par les polaritons. Les polaritons recèlent encore des mystères, et c'est une nouvelle façon de les utiliser, donc nous n'étions pas sûrs que cela fonctionnerait."
Les chercheurs ont développé un nouveau type de photodétecteur à haut rendement similaire aux complexes photosynthétiques utilisés par les plantes pour transformer la lumière du soleil en énergie. La nouvelle conception intègre un détecteur organique simple dans la région de propagation pour produire une conversion polariton-charge efficace sur des distances allant jusqu'à 100 microns (0,1 nm). Crédit :Bin Liu, Université du Michigan
Propagation longue distance
Les chercheurs ont analysé leur nouvel appareil en utilisant un microscope plan de Fourier spécial pour observer la propagation des polaritons. En raison de la structure inhabituelle du détecteur, ils ont dû développer un moyen de quantifier avec précision les résultats et de les replacer dans le contexte des détecteurs conventionnels bien connus de la communauté optique.
Les résultats ont montré que le nouveau photodétecteur est plus efficace pour convertir la lumière en courant électrique qu'une photodiode au silicium comparable. Il peut également capter la lumière provenant de zones d'environ 0,01 mm 2 et réaliser la conversion de la lumière en courant électrique sur des distances exceptionnellement longues de 0,1 nm. Cette distance est supérieure de trois ordres à la distance de transfert d'énergie des complexes photosynthétiques.
Jusqu'à présent, la plupart des polaritons ont été observés sous forme de quasi-particules stationnaires dans des cavités fermées avec des miroirs hautement réfléchissants en haut et en bas. Les nouveaux travaux ont révélé des informations importantes sur la façon dont les polaritons se propagent dans des structures ouvertes avec un seul miroir. Le nouvel appareil a également permis les premières mesures de l'efficacité avec laquelle les photons incidents peuvent être convertis en polaritons.
"Notre travail montre que les polaritons, en plus d'être une science intéressante, sont également une mine d'applications encore à découvrir", a déclaré Forrest. "Des appareils comme le nôtre fournissent une méthode inhabituelle, et peut-être unique, pour comprendre les propriétés fondamentales des polaritons et pour permettre à des moyens encore inimaginables de manipuler la lumière et la charge." Light-infused particles go the distance in organic semiconductors
