Les chercheurs de l'Arizona State University trouvent des moyens d'améliorer la technologie des photodétecteurs infrarouges qui est essentielle aux systèmes de défense et de sécurité nationales, ainsi que de plus en plus utilisé dans les applications commerciales et les produits de consommation.

Une avancée significative est rapportée dans un article récent de la revue Lettres de physique appliquée . Il détaille la découverte de la manière dont la photodétection infrarouge peut être effectuée plus efficacement en utilisant certains matériaux disposés selon des motifs spécifiques dans des structures à l'échelle atomique.

Cela est accompli en utilisant plusieurs couches ultrafines de matériaux qui ne font que quelques nanomètres d'épaisseur. Des cristaux se forment dans chaque couche. Ces structures en couches sont ensuite combinées pour former ce que l'on appelle des "super-réseaux".

Les photodétecteurs constitués de différents cristaux absorbent différentes longueurs d'onde de lumière et les convertissent en un signal électrique. Le rendement de conversion atteint par ces cristaux détermine la sensibilité d'un photodétecteur et la qualité de détection qu'il procure, explique l'ingénieur électricien Yong-Hang Zhang.

La propriété unique des super-réseaux est que leurs longueurs d'onde de détection peuvent être largement ajustées en modifiant la conception et la composition des structures en couches. Les dispositions précises des matériaux à l'échelle nanométrique dans les structures de super-réseaux contribuent à améliorer la sensibilité des détecteurs infrarouges, dit Zhang.

Zhang est professeur à l'École d'électricité, Génie informatique et énergétique, l'une des écoles d'ingénierie Ira A. Fulton de l'ASU. Il dirige les travaux de recherche sur la technologie infrarouge au Centre d'innovation en photonique de l'ASU.

Des recherches supplémentaires dans ce domaine sont financées par une subvention de l'Air Force Office of Scientific Research et un nouveau programme d'initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) établi par l'US Army Research Office. ASU est partenaire du programme dirigé par l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Le programme MURI permet au groupe de Zhang d'accélérer son travail en s'associant à David Smith, professeur au département de physique du Collège des arts libéraux et des sciences de l'ASU, et Shane Johnson, chercheur principal dans les écoles d'ingénieurs de l'ASU.

L'équipe utilise une combinaison d'arséniure d'indium et d'antimoniure d'arséniure d'indium pour construire les structures de super-réseau. La combinaison permet aux appareils de générer des photoélectrons nécessaires pour fournir une détection et une imagerie du signal infrarouge, dit Elizabeth Steenbergen, un étudiant au doctorat en génie électrique qui a effectué des expériences sur les matériaux du super-réseau avec des collaborateurs du laboratoire de recherche de l'armée.

« Dans un photodétecteur, la lumière crée des électrons. Des électrons sortent du photodétecteur sous forme de courant électrique. Nous lisons l'amplitude de ce courant pour mesurer l'intensité de la lumière infrarouge, " elle dit.

« Dans cette chaîne, nous voulons que tous les électrons soient collectés du détecteur aussi efficacement que possible. Mais parfois, ces électrons se perdent à l'intérieur de l'appareil et ne sont jamais collectés, " déclare Orkun Cellek, membre de l'équipe, un associé de recherche postdoctoral en génie électrique.

Zhang dit que l'utilisation par l'équipe des nouveaux matériaux réduit cette perte d'électrons optiquement excités, ce qui augmente la durée de vie des porteurs d'électrons de plus de 10 fois ce qui a été réalisé par d'autres combinaisons de matériaux traditionnellement utilisés dans la technologie. La durée de vie du porteur est un paramètre clé qui a limité l'efficacité du détecteur dans le passé.

Un autre avantage est que les photodétecteurs infrarouges fabriqués à partir de ces matériaux de super-réseau n'ont pas besoin d'autant de refroidissement. De tels appareils sont refroidis afin de réduire la quantité de courant indésirable à l'intérieur des appareils qui peut « enterrer » les signaux électriques, dit Zhang.

Le besoin de moins de refroidissement réduit la quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner les photodétecteurs, ce qui rendra les appareils plus fiables et les systèmes plus rentables.

Les chercheurs affirment que des améliorations peuvent encore être apportées aux conceptions de superposition des structures complexes de super-réseaux et au développement de conceptions de dispositifs qui permettront aux nouvelles combinaisons de matériaux de fonctionner plus efficacement.

Les progrès promettent d'améliorer tout, des armes guidées et des systèmes de surveillance sophistiqués aux systèmes de sécurité industriels et domestiques, l'utilisation de la détection infrarouge pour l'imagerie médicale et comme outil de sécurité routière pour la conduite de nuit ou lors de tempêtes de sable ou de brouillard épais.

"Vous seriez en mesure de voir les choses devant vous sur la route bien mieux qu'avec n'importe quel phare, " dit Cellek.