Améliorer la sensibilité des capteurs de lumière ou l'efficacité des cellules solaires nécessite un réglage fin de la capture de la lumière. Les chercheurs de KAUST ont utilisé une géométrie complexe pour développer de minuscules revêtements en forme de coque qui peuvent augmenter l'efficacité et la vitesse des photodétecteurs.

De nombreuses conceptions de cavités optiques ont été étudiées pour rechercher l'efficacité de la lumière :soit en piégeant l'onde électromagnétique, soit en confinant la lumière dans la région active du dispositif pour augmenter l'absorption. La plupart utilisent de simples sphères micrométriques ou nanométriques dans lesquelles la lumière se propage en cercles à l'intérieur de la surface, connu sous le nom de mode galerie chuchotant.

L'ancien scientifique de la KAUST Der-Hsien Lien, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Californie, Berkeley, et ses collègues de Chine, L'Australie et les États-Unis démontrent qu'une géométrie plus complexe comprenant des coques nanométriques convexes améliore les performances des photodétecteurs en augmentant la vitesse à laquelle ils fonctionnent et en leur permettant de détecter la lumière dans toutes les directions.

Les effets de surface jouent un rôle important dans le fonctionnement de certains appareils, explique le chercheur principal de KAUST, Jr-Hau He. Les nanomatériaux offrent un moyen d'améliorer les performances en raison de leur rapport surface/volume élevé. "Toutefois, bien que les nanomatériaux aient une plus grande sensibilité dans la détection de la lumière par rapport à la masse, les interactions lumière-matière sont plus faibles car plus fines, " décrit-il. " Pour améliorer cela, nous concevons des structures pour piéger la lumière."

Les chercheurs ont fabriqué leurs multi-nanoshells sphériques à partir d'oxyde de zinc semi-conducteur. Ils ont plongé des sphères de carbone solide dans une solution de sel d'oxyde de zinc, en les revêtant du matériau optique. Le traitement thermique a retiré le gabarit de carbone et défini la géométrie des nanostructures d'oxyde de zinc restantes, y compris le nombre de coquilles et l'espacement entre elles. Ainsi, Lien et ses collègues ont pu concevoir l'interaction entre les coques externe et interne pour induire un mode de galerie de chuchotement et une absorption de la lumière près de la surface du nanomatériau.

L'équipe a incorporé ses nanoshells dans un photodétecteur. La symétrie des nanocoquilles sphériques signifiait que le mode de galerie de chuchotement pouvait être excité avec peu de dépendance à l'angle incident ou à la polarisation de la lumière entrante.

Un problème rencontré avec les photodétecteurs précédents à base de nanoparticules d'oxyde métallique est leur faible vitesse, les appareils prenant jusqu'à plusieurs centaines de secondes pour répondre. En utilisant des nanocoquilles d'oxyde de zinc, les photodétecteurs ont pu répondre en 0,8 milliseconde.

"Cette stratégie peut être appliquée à d'autres travaux, tels que les cellules solaires et les dispositifs de séparation d'eau, " dit-il. " A l'avenir, nous examinerons différents systèmes de matériaux et structures de conception qui améliorent également les performances des appareils dans ces autres applications. »