Des chercheurs du Laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice ont démontré une méthode de conception de capteurs d'imagerie en intégrant des amplificateurs de lumière et des filtres de couleur directement dans les pixels. Crédit :B. Zheng/Université du riz
(Phys.org) —Les chercheurs de l'Université Rice ont créé un photodétecteur couleur biomimétique qui répond directement au rouge, la lumière verte et bleue de la même manière que l'œil humain.
Le nouveau dispositif a été créé par des chercheurs du Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) et est décrit en ligne dans une nouvelle étude publiée dans la revue. Matériaux avancés . Il utilise une grille en aluminium qui peut être ajoutée aux photodétecteurs au silicium avec la technologie de base de l'industrie des puces au silicium, "Oxyde métallique semi-conducteur complémentaire, " ou CMOS.
Les photodétecteurs conventionnels convertissent la lumière en signaux électriques mais n'ont pas de sensibilité intrinsèque aux couleurs. Pour capturer des images en couleur, les fabricants de photodétecteurs doivent ajouter des filtres de couleur qui peuvent séparer une scène en rouge, composants de couleur verte et bleue. Ce filtrage de couleur est généralement effectué à l'aide de filtres diélectriques ou de colorants hors puce, qui se dégradent sous l'exposition à la lumière du soleil et peuvent également être difficiles à aligner avec les capteurs d'imagerie.
"Les mécanismes de filtrage des couleurs d'aujourd'hui impliquent souvent des matériaux qui ne sont pas compatibles CMOS, mais cette nouvelle approche présente des avantages au-delà de l'intégration sur puce, " a déclaré Naomi Halas, directrice du LANP, le scientifique principal de l'étude. "Il est également plus compact et simple et imite de plus près la façon dont les organismes vivants "voient" les couleurs.
Le biomimétisme n'était pas un hasard. Le photodétecteur couleur résulte d'un programme de recherche de 6 millions de dollars financé par l'Office of Naval Research qui visait à imiter la peau des céphalopodes à l'aide de « métamatériaux, " des composés qui brouillent la frontière entre la matière et la machine.
Les céphalopodes comme le poulpe et le calmar sont des maîtres du camouflage, mais ils sont aussi daltoniens. Halas a déclaré que l'équipe de recherche sur la "peau de calmar", qui comprend les biologistes marins Roger Hanlon du Laboratoire de biologie marine de Woods Hole, Masse., et Thomas Cronin de l'Université du Maryland, Comté de Baltimore, soupçonnent que les céphalopodes peuvent détecter la couleur directement à travers leur peau.
Le nouveau photodétecteur couleur biomimétique de l'Université Rice utilise des réseaux en aluminium comme celui de cette image d'un microscope électronique à balayage. Les fentes filtrant la lumière dans le réseau ont une largeur d'environ 100 nanomètres. Crédit :B. Zheng/Université du riz
Sur la base de cette hypothèse, Bob Zheng, étudiant diplômé du LANP, l'auteur principal de la nouvelle étude Advanced Materials, a entrepris de concevoir un système photonique capable de détecter la lumière colorée.
"Bob a créé un détecteur biomimétique qui émule ce que nous supposons que la peau de calmar "voit", "", a déclaré Halas. "C'est un excellent exemple de la sérendipité qui peut se produire dans le laboratoire. En cherchant une réponse à une question de recherche spécifique, Bob a créé un appareil bien plus pratique et généralement applicable."
Le photodétecteur couleur de Zheng utilise une combinaison d'ingénierie de bande et de réseaux plasmoniques, structures en aluminium en forme de peigne avec des rangées de fentes parallèles. En utilisant l'évaporation par faisceau d'électrons, qui est une technique courante dans le traitement CMOS, Zheng a déposé une fine couche d'aluminium sur un photodétecteur de silicium surmonté d'un revêtement d'oxyde ultrafin.
La sélection des couleurs est effectuée en utilisant des effets d'interférence entre le réseau plasmonique et la surface du photodétecteur. En réglant soigneusement l'épaisseur d'oxyde et la largeur et l'espacement des fentes, Zheng a pu diriger de préférence différentes couleurs dans le photodétecteur au silicium ou les refléter dans l'espace libre.
Les nanostructures métalliques utilisent des plasmons de surface, des ondes d'électrons qui s'écoulent comme un fluide à travers les surfaces métalliques. La lumière d'une longueur d'onde spécifique peut exciter un plasmon, et les chercheurs du LANP créent souvent des dispositifs où les plasmons interagissent, parfois avec des effets dramatiques.
"Avec des réseaux plasmoniques, non seulement vous bénéficiez d'une personnalisation des couleurs, vous pouvez également améliorer les champs proches, " dit Zheng. " L'interaction en champ proche augmente la section efficace d'absorption, ce qui signifie que la grille agit comme sa propre lentille. Vous obtenez cet entonnoir de lumière dans une zone concentrée.
"Non seulement nous utilisons le photodétecteur comme amplificateur, nous utilisons également le filtre de couleur plasmonique comme moyen d'augmenter la quantité de lumière qui entre dans le détecteur, " il a dit.
