Une équipe de chercheurs a développé un appareil qui utilise le matériau graphène pour détecter la lumière infrarouge moyen et la convertir efficacement en signal électrique à température ambiante. C'est une percée qui pourrait conduire à de meilleurs systèmes de communication, imageurs thermiques et autres technologies.
Publié dans Matériaux naturels , l'étude est une collaboration entre les laboratoires de Fengnian Xia, Barton L. Weller professeur agrégé en ingénierie et sciences et F. Javier Garcia de Abajo de l'Institut des sciences photoniques (ICFO), Espagne.
Le rayonnement infrarouge moyen de 8 à 14 micromètres est extrêmement utile en imagerie thermique et en révélant des informations spectroscopiques spécifiques aux molécules. En outre, un tel rayonnement peut se propager dans l'air sans perte significative, indiquant son énorme potentiel dans les communications en espace libre et la télédétection. Cependant, les détecteurs infrarouges moyens infrarouges conventionnels à température ambiante sont généralement très lents en raison de la grande capacité thermique, conduisant à une longue constante de temps pour la dissipation de la chaleur.
Le dispositif présenté dans cette étude tire parti des propriétés uniques du matériau hautement conducteur, graphène atomiquement mince, qui est une seule couche d'atomes de carbone, et son plasmon, un quantum de ses oscillations électroniques collectives.
"Le graphène est une sorte de matériau qui peut convertir la lumière infrarouge moyen en plasmons, puis les plasmons peuvent ensuite se convertir en chaleur, " dit Qiushi Guo, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Xia et premier auteur de l'étude. "Ce qui est vraiment unique avec le graphène, c'est que l'élévation de la température des électrons causée par la désintégration du plasmon est beaucoup plus élevée que celle d'autres matériaux"
La résistance du graphène est très insensible à la température à température ambiante, par conséquent, il est difficile de détecter électriquement la lumière infrarouge moyen, sauf à des températures extrêmement froides, ce qui signifie qu'il ne peut pas être intégré dans des appareils utilisables. À cette fin, dans ce travail, les chercheurs ont développé un nouveau dispositif qui comprend des résonateurs plasmoniques à disque de graphène connectés par des nanorubans quasi-unidimensionnels. Il peut détecter efficacement la lumière infrarouge moyenne à température ambiante.
"Notre appareil possède des nanostructures artificielles qui convertissent la lumière en plasmons, et par la suite en chaleur électronique, " a déclaré Guo. "Sa résistance est également très sensible à l'élévation de la température. Contrairement à la feuille de graphène, dans des nanorubans étroits de graphène, le transport des électrons dépend fortement de l'énergie thermique de l'électron."
Quoi de plus, Guo a dit, est que l'appareil répond très rapidement aux rayonnements infrarouges moyens. « Les capteurs thermiques à température ambiante existants ont en général une grande capacité calorifique et des structures d'isolation thermique bien conçues. Il leur faut généralement des millisecondes pour chauffer. Mais pour le graphène, il peut être ultra-rapide - une nanoseconde, ou juste 1 milliardième de seconde." Cela rend le détecteur de graphène parfaitement adapté aux applications de communication en espace libre à grande vitesse dans l'infrarouge moyen, ce qui est hors de portée des microbolomètres classiques fonctionnant à température ambiante.
L'appareil est simple et évolutif. Remarquablement, l'empreinte de l'appareil peut être encore plus petite que la longueur d'onde de la lumière. « Il offre de nombreuses nouvelles opportunités dans la photonique moyen infrarouge, " a déclaré Xia. " Construire une caméra infrarouge moyenne haute résolution avec des pixels de sous-longueur d'onde, par exemple, ou à intégrer sur des circuits intégrés photoniques pour permettre des spectromètres dans l'infrarouge moyen sur une seule puce."
