Les chercheurs ont essayé diverses méthodes pour développer des détecteurs sensibles à une large gamme de lumière infrarouge, qui pourraient former des matrices d'imagerie pour les systèmes de sécurité, ou des cellules solaires qui exploitent une gamme plus large d'énergie solaire, mais ces méthodes ont toutes rencontré des limites. Maintenant, un nouveau système développé par des chercheurs de cinq institutions, dont le MIT, pourrait éliminer bon nombre de ces limitations.

La nouvelle approche est décrite dans un article publié dans la revue Communication Nature par Jonathan Mailoa, étudiant diplômé du MIT, professeur agrégé de génie mécanique Tonio Buonassisi, et 11 autres.

Silicium, qui constitue la base de la plupart des technologies des semi-conducteurs et des cellules solaires, laisse normalement passer la plupart de la lumière infrarouge. En effet, la bande interdite du matériau, une propriété électronique fondamentale, nécessite un niveau d'énergie supérieur à celui transporté par les photons de la lumière infrarouge. "Le silicium a généralement très peu d'interaction avec la lumière infrarouge, " dit Buonassisi.

Différents traitements du silicium peuvent atténuer ce comportement, généralement en créant un guide d'ondes avec des défauts structurels ou en le dopant avec certains autres éléments. Le problème est que la plupart de ces méthodes ont des effets négatifs importants sur les performances électriques du silicium; ne travaillez qu'à très basse température; ou seulement rendre le silicium sensible à une bande très étroite de longueurs d'onde infrarouges.

Le nouveau système fonctionne à température ambiante et offre une large réponse infrarouge, dit Buonassisi. Il incorpore des atomes d'or à la surface de la structure cristalline du silicium d'une manière qui maintient la structure d'origine du matériau. En outre, il a l'avantage d'utiliser du silicium, un semi-conducteur commun qui est relativement peu coûteux, facile à traiter, et abondante.

L'approche fonctionne en implantant de l'or dans les cent premiers nanomètres de silicium, puis en utilisant un laser pour faire fondre la surface pendant quelques nanosecondes. Les atomes de silicium recristallisent en un réseau presque parfait, et les atomes d'or n'ont pas le temps de s'échapper avant d'être piégés dans le réseau.

En réalité, le matériau contient environ 1% d'or, une quantité plus de 100 fois supérieure à la limite de solubilité du silicium :normalement, c'est comme si l'on mettait plus de sucre dans une tasse de café que le liquide ne pourrait en absorber, entraînant une accumulation de sucre au fond de la tasse. Mais sous certaines conditions, les matériaux peuvent dépasser leurs limites de solubilité normales, créant ce qu'on appelle une solution sursaturée. Dans ce cas, la nouvelle méthode de traitement produit une couche de silicium sursaturé avec des atomes d'or.

"C'est toujours un cristal de silicium, mais il a une énorme quantité d'or près de la surface, " dit Buonassisi. Alors que d'autres ont essayé des méthodes similaires avec des matériaux autres que l'or, le travail de l'équipe du MIT est la première démonstration claire que la technique peut fonctionner avec de l'or comme matière ajoutée, il dit.

"C'est une étape importante, ça montre que tu peux le faire, " dit Mailoa. " C'est particulièrement intéressant car nous pouvons montrer une réponse infrarouge à large bande dans le silicium à température ambiante. " Bien qu'il s'agisse d'un travail à un stade précoce, à certaines fins spécialisées, telles qu'un système de réglage de l'alignement laser infrarouge, cela peut être utile relativement rapidement.

Cette utilisation de l'or était une surprise :généralement l'or est incompatible avec tout ce qui implique du silicium, dit Buonassisi. Même la plus petite particule de celui-ci peut détruire l'utilité d'une puce de silicium, à tel point que dans de nombreuses installations de fabrication de puces, le port de bijoux en or est strictement interdit. "C'est l'une des impuretés les plus dangereuses du silicium, " il dit.

Mais aux très fortes concentrations obtenues par dopage laser, Buonassisi dit, L'or peut avoir un impact optoélectronique net positif lorsque la lumière infrarouge brille sur l'appareil.

Bien que cette approche puisse conduire à des systèmes d'imagerie infrarouge, Buonassisi dit, son efficacité est probablement trop faible pour une utilisation dans des cellules solaires au silicium. Cependant, cette méthode de traitement laser pourrait être applicable à différents matériaux qui seraient utiles pour la fabrication de cellules solaires, il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.