Des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé une nouvelle "microlentille" basée sur la nanotechnologie qui utilise de l'or pour augmenter la force de l'imagerie infrarouge et pourrait conduire à une nouvelle génération de caméras satellites ultra-puissantes et d'appareils de vision nocturne.

En tirant parti des propriétés uniques de l'or à l'échelle nanométrique pour « presser » la lumière dans de minuscules trous à la surface de l'appareil, les chercheurs ont doublé la détectivité d'un détecteur infrarouge à base de points quantiques. Avec quelques raffinements, les chercheurs s'attendent à ce que cette nouvelle technologie soit capable d'améliorer la détectivité jusqu'à 20 fois.

Cette étude est la première en plus d'une décennie à démontrer le succès dans l'amélioration du signal d'un détecteur infrarouge sans augmenter également le bruit, a déclaré le chef de projet Shawn-Yu Lin, professeur de physique à Rensselaer et membre du Future Chips Constellation and Smart Lighting Engineering Research Center de l'université.

« La détection infrarouge est une grande priorité en ce moment, comme une technologie d'imagerie par satellite infrarouge plus efficace a le potentiel de profiter à tout, de la sécurité intérieure à la surveillance du changement climatique et de la déforestation, " dit Lin, qui en 2008 a créé le matériau le plus sombre du monde ainsi qu'un revêtement pour panneaux solaires qui absorbe 99,9 % de la lumière sous presque tous les angles.

"Nous avons montré que vous pouvez utiliser de l'or nanoscopique pour focaliser la lumière entrant dans un détecteur infrarouge, ce qui à son tour améliore l'absorption des photons et améliore également la capacité des points quantiques intégrés à convertir ces photons en électrons. Ce genre de comportement n'a jamais été vu auparavant, " il a dit.

Résultats de l'étude, intitulé "Un photodétecteur infrarouge amélioré par plasmon de surface basé sur des points quantiques InAs, " ont été publiés en ligne récemment par la revue Lettres nano . L'article paraîtra également dans un prochain numéro de l'édition imprimée de la revue. L'US Air Force Office of Scientific Research a financé cette étude.

La détectivité d'un photodétecteur infrarouge est déterminée par la quantité de signal qu'il reçoit, divisé par le bruit qu'il reçoit. L'état de l'art actuel des photodétecteurs est basé sur la technologie mercure-cadmium-tellurure (MCT), qui a un signal fort mais fait face à plusieurs défis, notamment de longs temps d'exposition pour l'imagerie à faible signal. Lin a déclaré que sa nouvelle étude crée une feuille de route pour le développement de photodétecteurs infrarouges à points quantiques (QDIP) qui peuvent surpasser les MCT, et combler le fossé de l'innovation qui a freiné les progrès de la technologie infrarouge au cours de la dernière décennie.

Les QDIP de plasmons de surface sont longs, structures plates avec d'innombrables petits trous à la surface. La surface solide de la structure construite par Lin est recouverte d'environ 50 nanomètres - ou 50 milliardièmes de mètre - d'or. Chaque trou mesure environ 1,6 microns - ou 1,6 millionième de mètre - de diamètre, et 1 micron de profondeur. Les trous sont remplis de points quantiques, qui sont des cristaux nanométriques aux propriétés optiques et semi-conductrices uniques.

Les propriétés intéressantes de la surface en or du QDIP aident à focaliser la lumière entrante directement dans les trous microscopiques et à concentrer efficacement cette lumière dans le pool de points quantiques. Cette concentration renforce l'interaction entre la lumière piégée et les points quantiques, et à son tour renforce la capacité des points à convertir ces photons en électrons. Le résultat final est que l'appareil de Lin crée un champ électrique jusqu'à 400% plus fort que l'énergie brute qui pénètre dans le QDIP.

L'effet est similaire à ce qui résulterait de la couverture de chaque petit trou du QDIP avec une lentille, mais sans le poids supplémentaire, et moins les tracas et les coûts d'installation et d'étalonnage de millions de lentilles microscopiques, dit Lin.

L'équipe de Lin a également démontré dans l'article du journal que la couche d'or à l'échelle nanométrique sur le QDIP n'ajoute aucun bruit et n'a pas d'impact négatif sur le temps de réponse de l'appareil. Lin prévoit de continuer à perfectionner cette nouvelle technologie et d'utiliser de l'or pour augmenter la détectivité du QDIP, à la fois en élargissant le diamètre des trous de surface et en plaçant plus efficacement les points quantiques.

"Je pense que, d'ici quelques années, nous serons en mesure de créer un appareil QDIP à base d'or avec une amélioration du signal 20 fois par rapport à ce que nous avons aujourd'hui, " a déclaré Lin. " C'est un objectif très raisonnable, et pourrait ouvrir une toute nouvelle gamme d'applications, des meilleures lunettes de vision nocturne pour les soldats aux appareils d'imagerie médicale plus précis."