Chercheurs des laboratoires nationaux Sandia, L'Université Rice et l'Institut de technologie de Tokyo ont développé un détecteur térahertz utilisant plusieurs tubes de taille nanoscopique, créant un film mince macroscopique contenant un mélange de nanotubes de carbone métalliques et semi-conducteurs. Crédit :Dino Vournas, Laboratoires nationaux Sandia
Chercheurs des laboratoires nationaux Sandia, avec des collaborateurs de l'Université Rice et de l'Institut de technologie de Tokyo, développent de nouveaux détecteurs térahertz à base de nanotubes de carbone qui pourraient conduire à des améliorations significatives en imagerie médicale, contrôle des passagers à l'aéroport, inspection des aliments et autres applications.
Un papier en Lettres nano journal, "Détecteur Terahertz à nanotubes de carbone, " a fait ses débuts dans l'édition du 29 mai de la section " Just Accepted Manuscripts " de la publication. L'article décrit une technique qui utilise des nanotubes de carbone pour détecter la lumière dans la gamme de fréquences térahertz sans refroidissement.
Historiquement, la gamme de fréquences térahertz - qui se situe entre les gammes plus conventionnelles utilisées pour l'électronique d'un côté et l'optique de l'autre - a présenté de grandes promesses ainsi que des défis épineux pour les chercheurs, dit François Léonard de Sandia, l'un des auteurs.
"L'énergie photonique dans la gamme térahertz est beaucoup plus petite que pour la lumière visible, et nous n'avons tout simplement pas beaucoup de matériaux pour absorber efficacement cette lumière et la convertir en un signal électronique, " dit Léonard. " Il faut donc chercher d'autres approches. "
La technologie térahertz offre de l'espoir en médecine et dans d'autres applications
Les chercheurs doivent résoudre ce problème technique pour tirer parti des nombreuses applications bénéfiques du rayonnement térahertz, a déclaré le co-auteur Junichiro Kono de l'Université Rice. Ondes térahertz, par exemple, peuvent facilement pénétrer dans le tissu et d'autres matériaux et pourraient fournir des moyens moins intrusifs pour les contrôles de sécurité des personnes et des marchandises. L'imagerie térahertz pourrait également être utilisée dans l'inspection des aliments sans nuire à la qualité des aliments.
Peut-être l'application la plus intéressante offerte par la technologie térahertz, dit Kono, est un remplacement potentiel de la technologie d'imagerie par résonance magnétique (IRM) dans le dépistage du cancer et d'autres maladies.
« Les améliorations potentielles de la taille, faciliter, le coût et la mobilité d'un détecteur térahertz sont phénoménaux, " dit-il. " Avec cette technologie, vous pourriez concevoir une caméra de détection térahertz portable qui image les tumeurs en temps réel, avec une précision extrême. Et cela pourrait être fait sans la nature intimidante de la technologie IRM. »
Les nanotubes de carbone peuvent aider à combler le fossé technique
Sandie, ses collaborateurs et Léonard, en particulier, étudient les nanotubes de carbone et les nanomatériaux associés depuis des années. En 2008, Léonard est l'auteur de The Physics of Carbon Nanotube Devices, qui examine les aspects expérimentaux et théoriques des dispositifs à nanotubes de carbone.
Les nanotubes de carbone sont longs, cylindres minces composés entièrement d'atomes de carbone. Alors que leurs diamètres sont de l'ordre de 1 à 10 nanomètres, ils peuvent mesurer jusqu'à plusieurs centimètres de long. La liaison carbone-carbone est très forte, il résiste donc à tout type de déformation.
La communauté scientifique s'intéresse depuis longtemps aux propriétés térahertz des nanotubes de carbone, dit Léonard, mais pratiquement toutes les recherches à ce jour ont été basées sur des modèles théoriques ou informatiques. Une poignée d'articles ont étudié la détection térahertz à l'aide de nanotubes de carbone, mais ceux-ci se sont principalement concentrés sur l'utilisation d'un seul ou unique faisceau de nanotubes.
Le problème, Léonard a dit, est que le rayonnement térahertz nécessite généralement une antenne pour réaliser le couplage dans un seul nanotube en raison de la taille relativement grande des ondes térahertz. La Sandia, L'équipe de recherche de l'Université Rice et de l'Institut de technologie de Tokyo, cependant, trouvé un moyen de créer un petit détecteur visible à l'œil nu, développé par le chercheur de Rice Robert Hauge et l'étudiant diplômé Xiaowei He, qui utilise des films minces de nanotubes de carbone sans nécessiter d'antenne. La technique se prête ainsi à une fabrication simple et représente l'une des réalisations les plus importantes de l'équipe, dit Léonard.
Cette photographie représente le détecteur térahertz développé par des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia, Rice University et l'Institut de technologie de Tokyo. Le rayonnement térahertz est capté par un film mince de nanotubes de carbone mis en contact par deux électrodes en or. Crédit :Université Rice
"Les films minces de nanotubes de carbone sont de très bons absorbeurs de lumière électromagnétique, " expliqua-t-il. Dans la gamme térahertz, il s'avère que les films minces de ces nanotubes absorberont tout le rayonnement térahertz entrant. Les films de nanotubes ont même été appelés "le matériau le plus noir" pour leur capacité à absorber efficacement la lumière.
Les chercheurs ont pu envelopper plusieurs tubes de taille nanoscopique pour créer un film mince macroscopique contenant un mélange de nanotubes de carbone métalliques et semi-conducteurs.
"Essayer de le faire avec un autre type de matériel serait presque impossible, puisqu'un semi-conducteur et un métal ne pouvaient pas coexister à l'échelle nanométrique à haute densité, " expliqua Kono. " Mais c'est ce que nous avons réalisé avec les nanotubes de carbone. "
La technique est la clé, il a dit, car il combine les superbes propriétés d'absorption térahertz des nanotubes métalliques et les propriétés électroniques uniques des nanotubes de carbone semi-conducteurs. Cela permet aux chercheurs de réaliser un photodétecteur qui ne nécessite pas d'alimentation pour fonctionner, avec des performances comparables à la technologie existante.
Une voie claire vers l'amélioration des performances
La prochaine étape pour les chercheurs, Léonard a dit, est d'améliorer la conception, l'ingénierie et les performances du détecteur térahertz.
Par exemple, ils doivent intégrer une source de rayonnement térahertz indépendante au détecteur pour les applications nécessitant une source, dit Léonard. L'équipe doit également incorporer de l'électronique dans le système et améliorer davantage les propriétés du matériau des nanotubes de carbone.
« Nous avons des idées très claires sur la façon dont nous pouvons atteindre ces objectifs techniques, " dit Léonard, ajoutant que les nouvelles collaborations avec l'industrie ou les agences gouvernementales sont les bienvenues.
"Nos réalisations techniques ouvrent une nouvelle voie pour la technologie térahertz, et je suis particulièrement fier de la nature multidisciplinaire et collaborative de ce travail entre trois institutions, " il a dit.
En plus de Sandia, Rice et Tokyo Tech, le projet a reçu des contributions de chercheurs participant à NanoJapan, un programme d'été de 12 semaines qui permet aux étudiants de première et deuxième année en physique et en génie des universités américaines d'effectuer des stages de recherche en nanosciences au Japon axés sur les nanosciences térahertz.
