En utilisant du graphène, l'un des matériaux les plus polyvalents de la science, Les ingénieurs de l'UCLA Samueli School of Engineering ont inventé un nouveau type de photodétecteur qui peut fonctionner avec plus de types de lumière que ses homologues à la pointe de la technologie. L'appareil dispose également de capacités de détection et d'imagerie supérieures.

Les photodétecteurs sont des capteurs de lumière; dans les caméras et autres appareils d'imagerie, ils détectent des motifs de particules élémentaires appelés photons, et créer des images à partir de ces modèles. Différents photodétecteurs sont conçus pour détecter différentes parties du spectre lumineux. Par exemple, les photodétecteurs sont utilisés dans les lunettes de vision nocturne pour détecter le rayonnement thermique invisible à l'œil nu. D'autres sont utilisés dans des caméras qui identifient les produits chimiques dans l'environnement par la façon dont ils réfléchissent la lumière.

La polyvalence et l'utilité des photodétecteurs dépendent en grande partie de trois facteurs :leur vitesse de fonctionnement, leur sensibilité à des niveaux de lumière plus faibles, et quelle partie du spectre ils peuvent détecter. Typiquement, lorsque les ingénieurs ont amélioré les capacités d'un photodétecteur dans l'un de ces domaines, au moins une des deux autres capacités a été diminuée.

Le photodétecteur conçu par l'équipe de l'UCLA présente des améliorations majeures dans les trois domaines - il fonctionne sur une large gamme de lumière, traite les images plus rapidement et est plus sensible aux faibles niveaux de lumière que la technologie actuelle.

"Notre photodétecteur pourrait étendre la portée et les utilisations potentielles des photodétecteurs dans les systèmes d'imagerie et de détection, " dit Mona Jarrahi, professeur de génie électrique et informatique, qui a dirigé l'étude. "Il pourrait considérablement améliorer l'imagerie thermique dans la vision nocturne ou dans les applications de diagnostic médical où de subtiles différences de températures peuvent donner aux médecins de nombreuses informations sur leurs patients. Il pourrait également être utilisé dans les technologies de détection environnementale pour identifier plus précisément la concentration de polluants."

L'étude a été publiée dans la revue Lumière :science et applications .

Le nouveau photodétecteur tire parti des propriétés uniques du graphène, un matériau ultra-mince constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. Le graphène est un excellent matériau pour détecter les photons car il peut absorber l'énergie d'une large bande du spectre électromagnétique, de la lumière ultraviolette à la lumière visible en passant par les bandes infrarouges et micro-ondes. Le graphène est également un très bon conducteur de courant électrique - les électrons peuvent le traverser sans entrave.

Pour former le photodétecteur, les chercheurs ont posé des bandes de graphène sur une couche de dioxyde de silicium, qui recouvre lui-même une base de silicium. Puis, ils ont créé une série de motifs nanométriques en forme de peigne, fait d'or, avec des "dents" d'environ 100 nanomètres de large.

Le graphène agit comme un filet pour capter les photons entrants et les convertir ensuite en un signal électrique. Les nanomotifs en forme de peigne en or transfèrent rapidement ces informations dans un processeur, qui à son tour produit une image de haute qualité correspondante, même dans des conditions de faible luminosité.

« Nous avons spécifiquement conçu les dimensions des nanobandes de graphène et de leurs plaques métalliques de manière à ce que la lumière visible et infrarouge entrante soit étroitement confinée à l'intérieur, " dit Semih Cakmakyapan, un chercheur postdoctoral de l'UCLA et l'auteur principal de l'étude. "Cette conception produit efficacement un signal électrique qui suit des variations ultrarapides et subtiles de l'intensité de la lumière sur toute la gamme spectrale, du visible à l'infrarouge."