Les chercheurs ont résolu un problème entravant le développement de dispositifs optiques hautement sensibles constitués d'un matériau appelé graphène, une avancée qui pourrait apporter des applications de l'imagerie et des affichages aux capteurs et aux communications à grande vitesse.

Le graphène est une couche de carbone extrêmement mince qui est prometteuse pour l'optoélectronique, et les chercheurs tentent de développer des photodétecteurs à base de graphène, des appareils essentiels pour de nombreuses technologies. Cependant, les photodétecteurs typiques en graphène n'ont qu'une petite zone sensible à la lumière, limitant leurs performances.

Maintenant, les chercheurs ont résolu le problème en combinant du graphène avec un substrat de carbure de silicium comparativement beaucoup plus grand, créer des transistors à effet de champ en graphène, ou GFET, qui peut être activé par la lumière, dit Yong Chen, professeur de physique et d'astronomie et de génie électrique et informatique à l'Université Purdue, et directeur du Purdue Quantum Center.

Les photodétecteurs hautes performances peuvent être utiles pour des applications telles que les communications à grande vitesse et les caméras ultra-sensibles pour l'astrophysique, ainsi que les applications de détection et l'électronique portable. Des matrices de transistors à base de graphène pourraient apporter une imagerie et des affichages haute résolution.

"Dans la plupart des caméras, vous avez besoin de beaucoup de pixels, " a déclaré Igor Jovanovic, professeur de génie nucléaire et de sciences radiologiques à l'Université du Michigan. "Toutefois, notre approche pourrait rendre possible une caméra très sensible où vous avez relativement peu de pixels mais avez toujours une haute résolution."

De nouvelles découvertes sont détaillées dans un article de recherche paru cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie . Le travail a été effectué par des chercheurs de Purdue, l'Université du Michigan et l'Université d'État de Pennsylvanie.

"Dans les photodétecteurs typiques à base de graphène démontrés jusqu'à présent, la photoréponse ne provient que d'emplacements spécifiques à proximité du graphène sur une zone beaucoup plus petite que la taille de l'appareil, " a déclaré Jovanovic. " Cependant, pour de nombreuses applications de dispositifs optoélectroniques, il est souhaitable d'obtenir une photoréponse et une sensibilité de position sur une zone beaucoup plus grande.

De nouvelles découvertes montrent que l'appareil réagit à la lumière même lorsque le carbure de silicium est éclairé à des distances éloignées du graphène. La performance peut être augmentée jusqu'à 10 fois selon la partie du matériau qui est éclairée. Le nouveau phototransistor est également "sensible à la position, " ce qui signifie qu'il peut déterminer l'emplacement d'où vient la lumière, ce qui est important pour les applications d'imagerie et pour les détecteurs.

"C'est la première fois que quelqu'un démontre l'utilisation d'un petit morceau de graphène sur une grande plaquette de carbure de silicium pour réaliser une photodétection non locale, donc la lumière n'a pas à frapper le graphène lui-même, " dit Chen. " Tiens, la lumière peut être incidente sur une zone beaucoup plus grande, près d'un millimètre, ce qui n'a jamais été fait auparavant."

Une tension est appliquée entre la face arrière du carbure de silicium et le graphène, créer un champ électrique dans le carbure de silicium. La lumière entrante génère des « photoporteurs » dans le carbure de silicium.

"Le semi-conducteur fournit les médias qui interagissent avec la lumière, " dit Jovanovic. " Quand la lumière entre, une partie de l'appareil devient conductrice et cela modifie le champ électrique agissant sur le graphène."

Ce changement dans le champ électrique modifie également la conductivité du graphène lui-même, qui est détecté. L'approche est appelée photodétection à effet de champ.

Le carbure de silicium est "non dopé, " contrairement aux semi-conducteurs conventionnels dans les transistors à base de silicium. Être non dopé fait du matériau un isolant à moins qu'il ne soit exposé à la lumière, ce qui le rend temporairement partiellement conducteur, changer le champ électrique sur le graphène.

"C'est une nouveauté de ce travail, " dit Chen.

La recherche est liée aux travaux visant à développer de nouveaux capteurs à base de graphène conçus pour détecter les rayonnements et a été financée par une subvention conjointe de la National Science Foundation et du département américain de la Sécurité intérieure et d'une autre subvention de la Defense Threat Reduction Agency.

"Cet article concerne un capteur pour détecter les photons, mais les principes sont les mêmes pour les autres types de rayonnement, " a déclaré Chen. "Nous utilisons le transistor sensible au graphène pour détecter le champ électrique modifié causé par les photons, léger dans ce cas, interagissant avec un substrat de carbure de silicium."

Les détecteurs de lumière peuvent être utilisés dans des dispositifs appelés scintillateurs, qui sont utilisés pour détecter les rayonnements. Les rayonnements ionisants créent de brefs éclairs lumineux, qui dans les scintillateurs sont détectés par des dispositifs appelés tubes photomultiplicateurs, une technologie vieille d'un siècle.

"Il y a donc beaucoup d'intérêt pour le développement de dispositifs avancés à base de semi-conducteurs qui peuvent réaliser la même fonction, " a déclaré Jovanovic.

L'article a été rédigé par l'ancien associé de recherche postdoctoral de Purdue, Biddut K. Sarker; l'ancien étudiant diplômé de Penn State Edward Cazalas; Ting-Fung Chung, étudiant diplômé de Purdue; Isaac Childres, ancien étudiant diplômé de Purdue; Jovanovic; et Chen.

Les chercheurs ont également expliqué leurs résultats avec un modèle informatique. Les transistors ont été fabriqués au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue.

Les recherches futures comprendront des travaux pour explorer des applications telles que les scintillateurs, technologies d'imagerie pour l'astrophysique et capteurs pour les rayonnements de haute énergie.