Dans un exploit qui peut fournir une gamme prometteuse d'applications, de l'efficacité énergétique aux télécommunications en passant par l'imagerie améliorée, des chercheurs de l'UC Santa Barbara ont créé un semi-conducteur composé d'une qualité presque parfaite avec des nanostructures intégrées contenant des lignes ordonnées d'atomes capables de manipuler l'énergie lumineuse dans l'infrarouge moyen. Des cellules solaires plus efficaces, une imagerie biologique moins risquée et à plus haute résolution, et la capacité de transmettre des quantités massives de données à des vitesses plus élevées ne sont que quelques applications que ce semi-conducteur unique pourra prendre en charge.

"C'est un domaine nouveau et passionnant, " dit Hong Lu, chercheur au département Matériaux de l'UCSB et auteur principal d'une étude publiée récemment dans la revue Lettres nano , une publication de l'American Chemical Society.

La clé de cette technologie est l'utilisation de l'erbium, un métal de terre rare qui a la capacité d'absorber la lumière dans la longueur d'onde visible ainsi que dans l'infrarouge - qui est une longueur d'onde de fréquence plus longue et plus basse à laquelle l'œil humain est habitué - et a été utilisé pendant des années pour améliorer les performances du silicium dans la production de fibre optique. Appariement de l'erbium avec l'élément antimoine (Sb), les chercheurs ont intégré le composé résultant - l'antimonure d'erbium (ErSb) - sous forme de nanostructures semi-métalliques dans la matrice semi-conductrice d'antimoniure de gallium (GaSb).

ErSb, selon Lou, est un matériau idéal à assortir avec GaSb en raison de sa compatibilité structurelle avec son matériau environnant, permettant aux chercheurs d'intégrer les nanostructures sans interrompre la structure du réseau atomique de la matrice semi-conductrice. Moins la structure du réseau cristallin d'un semi-conducteur est imparfaite, plus l'appareil dans lequel il est utilisé sera fiable et performant.

"Les nanostructures sont intégrées de manière cohérente, sans introduire de défauts notables, par le processus de croissance par épitaxie par faisceau moléculaire, " dit Lu. " Deuxièmement, nous pouvons contrôler la taille, la forme et l'orientation des nanostructures. » Le terme « épitaxie » désigne un procédé par lequel des couches de matériau sont déposées atome par atome, ou molécule par molécule, l'un sur l'autre avec une orientation spécifique.

"C'est vraiment un nouveau type d'hétérostructure, " dit Arthur Gossard, professeur au Département des matériaux ainsi qu'au Département de génie électrique et informatique. Alors que les semi-conducteurs incorporant différents matériaux ont été étudiés pendant des années - un professeur de technologie de l'UCSB et lauréat du prix Nobel Herbert Kroemer a été le pionnier - un semi-conducteur / métal hétérostructuré monocristallin est dans une classe à part.

Les nanostructures permettent au composé semi-conducteur d'absorber un spectre de lumière plus large en raison d'un phénomène appelé résonance plasmonique de surface, dit Lou, et que l'effet a des applications potentielles dans de vastes domaines de recherche, comme les cellules solaires, applications médicales pour lutter contre le cancer, et dans le nouveau domaine de la plasmonique.

L'optique et l'électronique fonctionnent à des échelles très différentes, le confinement des électrons étant possible dans des espaces bien plus petits que les ondes lumineuses. Par conséquent, Cela a été un défi permanent pour les ingénieurs de créer un circuit qui puisse tirer parti de la vitesse et de la capacité de données des photons et de la compacité de l'électronique pour le traitement de l'information.

Le pont très recherché entre l'optique et l'électronique peut être trouvé avec ce semi-conducteur composé utilisant des plasmons de surface, oscillations électroniques à la surface d'un métal excité par la lumière. Lorsque la lumière (dans ce cas, infrarouge) frappe la surface de ce semi-conducteur, les électrons dans les nanostructures commencent à résonner, c'est-à-dire s'éloigner de leurs positions d'équilibre et osciller à la même fréquence que la lumière infrarouge en préservant l'information optique, mais en le réduisant à une échelle qui serait compatible avec les appareils électroniques.

Dans le domaine de l'imagerie, les nanofils embarqués d'ErSb offrent un fort effet de polarisation large bande, selon Lou, filtrer et définir des images avec des signatures lumineuses infrarouges et térahertz de longueur d'onde encore plus longue. Cet effet peut être utilisé pour imager une variété de matériaux, y compris le corps humain, sans le risque posé par les énergies plus élevées qui émanent des rayons X, par exemple. Les produits chimiques tels que ceux trouvés dans les explosifs et certains narcotiques illégaux ont des caractéristiques d'absorption uniques dans cette région du spectre. Les chercheurs ont déjà déposé une demande de brevet pour ces nanofils intégrés en tant que polariseur de lumière à large bande.

"Pour l'imagerie infrarouge, si vous pouvez le faire avec des polarisations contrôlables, il y a des informations là-bas, " dit Gossard.

Alors que les longueurs d'onde infrarouges et térahertz offrent une grande partie du type d'informations qu'elles peuvent fournir, le développement d'instruments capables de tirer pleinement parti de leur gamme de fréquences est encore un domaine émergent. Lu attribue cette percée à la nature collaborative de la recherche sur le campus de l'UCSB, ce qui lui a permis de fusionner son expertise des matériaux avec les compétences de chercheurs spécialisés dans la technologie infrarouge et térahertz.

"C'est incroyable ici, ", a-t-elle déclaré. "Nous avons essentiellement collaboré et découvert ensemble toutes ces caractéristiques et propriétés intéressantes du matériau."

"L'une des choses les plus excitantes à ce sujet pour moi, c'est qu'il s'agissait d'une collaboration « de base », " a déclaré Mark Sherwin, professeur de physique, directeur de l'Institute for Terahertz Science and Technology à l'UCSB, et l'un des co-auteurs de l'article. L'idée de la direction de la recherche est venue des jeunes chercheurs du groupe, il a dit, étudiants diplômés et étudiants de premier cycle de différents laboratoires et groupes de recherche travaillant sur différents aspects du projet, qui ont tous décidé de combiner leurs efforts et leur expertise en une seule étude. "Je pense que ce qui est vraiment spécial à propos de l'UCSB, c'est que nous pouvons avoir un environnement comme celui-là."

Depuis que le papier a été écrit, la plupart des chercheurs sont passés dans l'industrie :Daniel G. Ouelette et Benjamin Zaks, anciennement du Département de physique et de l'Institut pour la science et la technologie Terahertz à l'UCSB, travaille maintenant chez Intel et Agilent, respectivement. Leur collègue Justin Watts, qui était un participant de premier cycle poursuit maintenant des études supérieures à l'Université du Minnesota. Peter Burke, anciennement du Département Matériaux de l'UCSB, travaille maintenant chez Lockheed Martin. Sascha Preu, un ancien post-doctorant dans le groupe Sherwin, est maintenant professeur assistant à l'Université technique de Darmstadt.

Les chercheurs du campus explorent également les possibilités de cette technologie dans le domaine de la thermoélectrique, qui étudie comment les différences de température d'un matériau peuvent créer une tension électrique ou comment les différences de tensions électriques dans un matériau peuvent créer des différences de température. Les chercheurs renommés de l'UCSB, John Bowers (photonique à l'état solide) et Christopher Palmstrom (croissance hétéroépitaxiale de nouveaux matériaux) étudient le potentiel de ce nouveau semi-conducteur.