(Phys.org) —Une équipe d'ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie a utilisé un modèle de nanoantennes pour développer une nouvelle façon de transformer la lumière infrarouge en action mécanique, ouvrant la porte à des caméras infrarouges plus sensibles et à des techniques d'analyse chimique plus compactes.

La recherche a été menée par le professeur adjoint Ertugrul Cubukcu et le chercheur postdoctoral Fei Yi, avec les étudiants diplômés Hai Zhu et Jason C. Reed, tous du département de science des matériaux et d'ingénierie de la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn.

Il a été publié dans la revue Lettres nano .

La détection de la lumière dans l'infrarouge moyen est importante pour des applications telles que les caméras de vision nocturne, mais il peut aussi être utilisé pour faire de la spectroscopie, une technique qui consiste à diffuser la lumière sur une substance pour en déduire sa composition chimique. Les détecteurs infrarouges existants utilisent des semi-conducteurs refroidis par cryogénie, ou des détecteurs thermiques appelés microbolomètres, dans lequel les changements de résistance électrique peuvent être corrélés aux températures. Ces techniques ont leurs propres avantages, mais les deux ont besoin de cher, équipement encombrant pour être suffisamment sensible pour les applications de spectroscopie.

"Nous avons entrepris de fabriquer un détecteur infrarouge thermique optomécanique, " dit Cubukcu. " Plutôt que des changements dans la résistance, notre détecteur fonctionne en connectant le mouvement mécanique aux changements de température."

L'avantage de cette approche est qu'elle pourrait réduire l'empreinte d'un dispositif de détection infrarouge à quelque chose qui pourrait tenir sur une puce de silicium jetable. Les chercheurs ont fabriqué un tel dispositif dans leur étude.

Au cœur de l'appareil se trouve une structure à l'échelle nanométrique – environ un dixième de millimètre de large et cinq fois plus longue – constituée d'une couche d'or liée à une couche de nitrure de silicium. Les chercheurs ont choisi ces matériaux en raison de leurs différents coefficients de dilatation thermique, un paramètre qui détermine de combien un matériau va se dilater lorsqu'il est chauffé. Parce que les métaux convertiront naturellement une partie de l'énergie de la lumière infrarouge en chaleur, les chercheurs peuvent relier la quantité de matériau qui se dilate à la quantité de lumière infrarouge qui le frappe.

"Une seule couche s'étendrait latéralement, mais nos deux couches sont contraintes parce qu'elles sont attachées l'une à l'autre, " dit Cubukcu. " La seule façon pour eux de s'étendre est dans la troisième dimension. Dans ce cas, cela signifie se pencher vers le côté doré, puisque l'or a le coefficient de dilatation thermique le plus élevé et se dilatera davantage."

Pour mesurer ce mouvement, les chercheurs ont utilisé un interféromètre à fibre. Un câble à fibre optique pointé vers le haut vers ce système fait rebondir la lumière sur la face inférieure de la couche de nitrure de silicium, permettant aux chercheurs de déterminer dans quelle mesure la structure s'est pliée vers le haut.

"Nous pouvons dire jusqu'où la couche inférieure s'est déplacée en fonction de cette lumière réfléchie, " a déclaré Cubukcu. "Nous pouvons même voir des déplacements qui sont des milliers de fois plus petits qu'un atome d'hydrogène."

D'autres chercheurs ont développé des capteurs infrarouges optomécaniques basés sur ce principe, mais leurs sensibilités ont été relativement faibles. Le dispositif de l'équipe Penn est une amélioration à cet égard en raison de l'inclusion de nanoantennes « fente », cavités qui sont gravées dans la couche d'or à des intervalles qui correspondent aux longueurs d'onde de la lumière infrarouge moyen.

"Le rayonnement infrarouge est concentré dans les fentes, vous n'avez donc pas besoin de matériel supplémentaire pour fabriquer ces antennes, " a déclaré Cubukcu. "Nous prenons exactement la même plate-forme et, en le modelant avec ces antennes nanométriques, l'efficacité de conversion du détecteur s'améliore de 10 fois."

L'inclusion de nanoantennes offre à l'appareil un avantage supplémentaire :la possibilité d'adapter le type de lumière auquel il est sensible en gravant un motif différent de fentes sur la surface.

"Les autres techniques ne peuvent fonctionner qu'à l'absorption maximale déterminée par le matériau lui-même, " a déclaré Yi. "Nos antennes peuvent être conçues pour absorber à n'importe quelle longueur d'onde."

Bien qu'il ne s'agisse que d'une preuve de concept à ce stade, les recherches futures démontreront les capacités de l'appareil en tant que moyen peu coûteux d'analyser des protéines individuelles et des molécules de gaz.