Les ingénieurs de Caltech ont développé pour la première fois un détecteur de lumière qui combine deux technologies disparates :la nanophotonique, qui manipule la lumière à l'échelle nanométrique, et thermoélectrique, qui traduit les différences de température directement en tension électronique - pour distinguer les différentes longueurs d'onde (couleurs) de la lumière, y compris les longueurs d'onde visibles et infrarouges, à haute résolution.

Les détecteurs de lumière qui distinguent différentes couleurs de lumière ou de chaleur sont utilisés dans une variété d'applications, y compris des satellites qui étudient l'évolution de la végétation et du paysage sur la terre et des imageurs médicaux qui distinguent les cellules saines des cellules cancéreuses en fonction de leurs variations de couleur.

Le nouveau détecteur, décrit dans un article de Nature Nanotechnologie le 22 mai, fonctionne environ 10 à 100 fois plus rapidement que les dispositifs thermoélectriques comparables actuels et est capable de détecter la lumière sur une plus large plage du spectre électromagnétique que les détecteurs de lumière traditionnels. Dans les détecteurs de lumière traditionnels, les photons de lumière entrants sont absorbés dans un semi-conducteur et excitent les électrons qui sont capturés par le détecteur. Le mouvement de ces électrons excités par la lumière produit un courant électrique – un signal – qui peut être mesuré et quantifié. Bien qu'efficace, ce type de système rend difficile de "voir" la lumière infrarouge, qui est composé de photons de plus faible énergie que ceux de la lumière visible.

Parce que les nouveaux détecteurs sont potentiellement capables de capturer les longueurs d'onde infrarouges de la lumière du soleil et de la chaleur qui ne peuvent pas être collectées efficacement par les matériaux solaires conventionnels, la technologie pourrait conduire à de meilleures cellules solaires et dispositifs d'imagerie.

« En nanophotonique, nous étudions la façon dont la lumière interagit avec des structures beaucoup plus petites que la longueur d'onde optique elle-même, ce qui entraîne un confinement extrême de la lumière. Dans ce travail, nous avons combiné cet attribut avec les caractéristiques de conversion de puissance des thermoélectriques pour permettre un nouveau type de dispositif optoélectronique, " dit Harry Atwater, auteur correspondant de l'étude. Atwater est professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech, et directeur du Centre commun de photosynthèse artificielle (JCAP). JCAP est un centre d'innovation énergétique du ministère de l'Énergie (DOE) axé sur le développement d'une méthode rentable de tourner la lumière du soleil, l'eau, et du dioxyde de carbone en carburant. Il est dirigé par Caltech avec Berkeley Lab comme partenaire majeur.

L'équipe d'Atwater a construit des matériaux avec des nanostructures de plusieurs centaines de nanomètres de large, même plus petites que les longueurs d'onde de la lumière qui représentent le spectre visible, qui varie d'environ 400 à 700 nanomètres.

Les chercheurs ont créé des nanostructures avec une variété de largeurs, qui absorbent différentes longueurs d'onde (couleurs) de lumière. Lorsque ces nanostructures absorbent la lumière, ils génèrent un courant électrique dont l'intensité correspond à la longueur d'onde de la lumière absorbée.

Les détecteurs ont été fabriqués dans la salle blanche du Kavli Nanoscience Institute à Caltech, où l'équipe a créé des structures sous-longueur d'onde en utilisant une combinaison de dépôt en phase vapeur (qui condense de fines couches de matériau sur une surface à partir d'un brouillard riche en éléments) et de lithographie par faisceau d'électrons (qui coupe ensuite des motifs nanométriques dans ce matériau à l'aide d'un faisceau focalisé d'électrons ). Les structures, qui résonnent et génèrent un signal lorsqu'ils absorbent des photons avec des longueurs d'onde spécifiques, ont été créés à partir d'alliages aux propriétés thermoélectriques bien connues, mais la recherche est applicable à un large éventail de matériaux, disent les auteurs.

« Cette recherche est un pont entre deux champs de recherche, nanophotonique et thermoélectrique, qui n'interagissent pas souvent, et crée une voie de collaboration, " déclare Kelly Mauser (MS '16), étudiante diplômée, auteur principal de la Nature Nanotechnologie étudier. "Il existe une pléthore d'applications et d'opportunités de recherche inexplorées et passionnantes à la jonction de ces deux domaines."

L'étude s'intitule "Nanophotonique thermoélectrique résonante".