Le graphène – une feuille de carbone de l'épaisseur d'un atome – a été présenté comme un nouveau matériau miracle :il est plus résistant que l'acier et conduit mieux l'électricité que le cuivre.

Dans la revue Nature Nanotechnologie aujourd'hui, mes collègues et moi montrons comment le graphène peut être utilisé pour construire un détecteur de lumière à longue longueur d'onde (infrarouge lointain ou térahertz) aussi sensible que n'importe quel détecteur existant, mais beaucoup plus petit et plus d'un million de fois plus rapide. Le détecteur pourrait améliorer les lunettes de vision nocturne, outils d'analyse chimique et scanners corporels d'aéroport.

Mais avant de me lancer dans la recherche, J'aimerais parler de la façon dont nous passons de la découverte d'un nouveau matériau miracle tel que le graphène à de nouvelles technologies utiles.

En tant que chercheur travaillant sur de nouveaux matériaux, On me demande constamment "à quoi ça sert ?" Pour répondre à cela, la première chose que nous, chercheurs, essayons souvent d'imaginer est d'imaginer le nouveau matériau en remplacement d'un matériau existant dans une technologie existante.

Le problème avec cette approche est que toute technologie existante a beaucoup d'élan. Par exemple, considérer les processeurs informatiques. Les électrons du graphène se déplacent environ 70 fois plus vite que ceux du silicium (utilisé dans la plupart des processeurs informatiques aujourd'hui) dans les mêmes conditions, le graphène pourrait donc sans doute être utilisé pour fabriquer des puces informatiques plus rapides.

Mais ce n'est pas si simple. Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles nous utilisons du silicium en plus de la vitesse à laquelle les électrons se déplacent - il forme facilement un revêtement d'oxyde solide et il est facile à doper, pour nommer un couple. Et passer à un matériau radicalement différent signifierait jeter toute l'infrastructure utilisée pour fabriquer des puces de silicium qui ont été développées à des coûts énormes au cours des dernières décennies.

Donc, une meilleure question, bien que beaucoup plus difficile à répondre, est de demander ce qu'un nouveau matériel pourrait nous permettre de faire qu'aucun autre matériel n'a auparavant. Les réponses à cette question ne viennent pas toujours immédiatement, et parfois ils viennent par hasard.

Deux couches valent mieux qu'une

Une propriété du graphène qui m'intéressait était que le graphène bicouche (deux couches empilées l'une sur l'autre) a une bande interdite - la propriété de base d'un semi-conducteur - qui peut être ajustée en appliquant un champ électrique au matériau.

J'ai fait équipe avec des chercheurs de l'Université du Maryland pour essayer de mesurer cette bande interdite à l'aide de la lumière infrarouge, puisque les photons infrarouges ont des énergies similaires à la bande interdite du graphène bicouche. Lorsque nous avons mesuré la conductance de notre graphène bicouche sous éclairage infrarouge, nous avons constaté que cela avait beaucoup plus changé que prévu.

En réalité, le changement de conductance de notre graphène était supérieur à celui du photodétecteur au silicium commercial que nous utilisions pour mesurer la puissance de notre faisceau infrarouge ! Pour certaines raisons, notre graphène était un excellent photodétecteur.

Nous en savions assez sur le graphène pour comprendre ce qui se passait. Lorsque les électrons du graphène absorbent la lumière, ils chauffent. Dans la plupart des matériaux, les électrons perdent rapidement de l'énergie aux vibrations des atomes, que nous ressentons comme de la chaleur.

Mais dans le graphène, ce processus de perte de chaleur est très inefficace, ce qui donne au graphène sa conductivité électrique extraordinairement élevée. Ce que nous avons réalisé, c'est que le graphène bicouche avec une bande interdite a une conductance qui varie fortement avec la température électronique, nous permettant de lire le changement de température des électrons causé par la lumière chauffant les électrons.

Un tel dispositif est appelé "bolomètre à électrons chauds" et le graphène bicouche en fait un très bon. Nous avons publié notre résultat dans la revue Nature Nanotechnologie en 2012, et plusieurs groupes de recherche s'intéressent au développement de bolomètres au graphène en tant que détecteurs cryogéniques extrêmement sensibles à utiliser en radioastronomie.

Malheureusement, l'effet bolométrique ne fonctionne bien qu'à basse température, où la résistance du graphène bicouche change fortement avec la température. Mais nous savions d'après nos mesures que les effets des électrons chauds devraient être importants dans le graphène à température ambiante.

Notre équipe a conçu un appareil capable de mesurer les électrons chauds à température ambiante, en utilisant un effet appelé thermoélectricité. Nos premiers détecteurs photothermoélectriques au graphène étaient comparables en sensibilité aux meilleurs détecteurs de lumière à température ambiante disponibles dans l'infrarouge lointain, ou térahertz, régime du spectre électromagnétique, et nous avons vu de la place pour des améliorations de la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur avec de nouvelles conceptions.

De façon intéressante, nos appareils étaient plus d'un million de fois plus rapides que ces détecteurs, et ce sont ces résultats que nous publions aujourd'hui, encore une fois dans Nature Nanotechnologie .

Le graphène nous montre la lumière

La détection de la lumière infrarouge et térahertz a de nombreuses utilisations, de l'analyse chimique aux lunettes de vision nocturne aux scanners corporels utilisés dans la sécurité des aéroports.

Mais depuis un ultra-rapide, détecteur térahertz sensible n'avait jamais été envisagé auparavant, il est difficile de dire où nos appareils pourraient être appliqués.

Notre détecteur pourrait être utilisé pour accélérer les techniques d'analyse chimique telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, ou FTIR.

Parce que le détecteur de graphène est facilement microfabriqué, nous envisageons des réseaux de pixels détecteurs adaptés à l'imagerie, ce qui pourrait conduire à des caméras infrarouges ou des lunettes de vision nocturne bon marché.

Nos calculs montrent que l'effet photothermoélectrique des électrons chauds peut être un moyen efficace de collecter de l'énergie à partir de la lumière. Peut-être que nos appareils pourraient être utilisés pour capter la lumière infrarouge s'échappant de la Terre dans le ciel nocturne, et le transformer en électricité. Peut-être qu'ils seront utilisés pour quelque chose auquel nous n'avons même pas encore pensé.

Mais si nous n'avions jamais entrepris d'étudier un nouveau matériau simplement pour comprendre son fonctionnement, nous n'aurions jamais découvert ces nouvelles réponses à la question, "À quoi ça sert?"

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de The Conversation (sous Creative Commons-Attribution/Pas de dérivés).