Les chercheurs du Sandia National Laboratories ont développé de minuscules, des antennes dorées pour aider les caméras et les capteurs qui « voient » la chaleur à fournir des images plus claires du rayonnement infrarouge thermique pour tout, des étoiles et des galaxies aux personnes, bâtiments et objets nécessitant une sécurité.

Dans un projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire, une équipe de chercheurs a développé un détecteur doté d'une nanoantenne qui peut multiplier par trois le signal d'une caméra infrarouge thermique et améliorer la qualité de l'image en réduisant le courant d'obscurité, une composante majeure du bruit d'image, de 10 à 100 fois.

Les caméras et capteurs infrarouges thermiques existent depuis 50 ans, mais la conception traditionnelle du détecteur qui se trouve derrière l'objectif de la caméra ou le système optique d'un capteur semble atteindre ses limites de performance, dit David Peters, un manager Sandia et chef de projet nanoantenne.

Il a dit que l'amélioration de la sensibilité des détecteurs infrarouges, au-delà de ce que la conception typique peut offrir, est important à la fois pour le travail de sécurité nationale de Sandia et pour d'autres usages, comme la recherche astronomique.

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La sensibilité et la qualité d'image d'un détecteur infrarouge dépendent généralement d'une épaisse couche de matériau de détecteur qui absorbe la chaleur entrante et la transforme en un signal électrique qui peut être collecté et transformé en une image. L'épaisseur de la couche de détection détermine la quantité de chaleur pouvant être absorbée et lue par la caméra, mais les couches épaisses ont aussi des inconvénients.

"Le matériau du détecteur crée toujours spontanément des électrons qui sont collectés et ajoutent du bruit à l'image, ce qui réduit la qualité de l'image, " dit Peters. " Ce phénomène, appelé courant d'obscurité, augmente avec l'épaisseur du matériau du détecteur - plus le matériau est épais, plus il y a de bruit dans l'image qu'il crée."

L'équipe de recherche a développé une nouvelle conception de détecteur qui ne repose plus sur des couches épaisses et utilise à la place une nano-antenne sous-longueur d'onde, un ensemble à motifs de formes carrées ou croisées dorées, pour concentrer la lumière sur une couche plus fine de matériau détecteur. Cette conception n'utilise qu'une fraction d'un micron de matériau de détecteur, alors que les détecteurs infrarouges thermiques traditionnels ont une épaisseur de 5 à 10 microns. Un cheveu humain mesure environ 75 microns de large.

La conception améliorée par nanoantenne aide les détecteurs à voir plus de 50 % du rayonnement infrarouge d'un objet tout en réduisant la distorsion de l'image causée par le courant d'obscurité, alors que la technologie actuelle ne peut voir qu'environ 25 % du rayonnement infrarouge. Il permet également l'invention de nouveaux concepts de détecteurs qui ne sont pas possibles avec la technologie existante.

"Par exemple, avec des nanoantennes, il est possible d'augmenter considérablement la quantité d'informations acquises dans une image en contrôlant de manière exquise la réponse spectrale au niveau du pixel, ", a déclaré Peters.

L'équipe fabrique les détecteurs dotés de nanoantennes en modifiant légèrement le processus habituel de fabrication d'un détecteur infrarouge. Il commence par « faire pousser » le matériau du détecteur au-dessus d'un disque mince appelé plaquette. Ensuite, le matériau du détecteur est retourné sur une couche électronique qui lit les signaux collectés par la nanoantenne et la couche de détection. Après avoir jeté la plaquette, une infime quantité d'or est appliquée pour créer la couche de nanoantenne à motifs au-dessus du matériau du détecteur.

Du laboratoire national à l'industrie

"Ce n'était pas une donnée que cela allait fonctionner, c'est pourquoi Sandia l'a accepté, " dit Peters. " Maintenant, nous en sommes au point où nous avons prouvé ce concept et cette technologie est prête à être commercialisée. Ce concept peut être appliqué à différents types de détecteurs, il y a donc une opportunité pour les fabricants existants d'intégrer cette nouvelle technologie avec leurs détecteurs existants."

Peters a déclaré que Sandia cherchait des pistes pour établir un accord de recherche et développement collaboratif afin de commencer à transférer la technologie à l'industrie.

"Ce projet est un exemple parfait de la façon dont un laboratoire national peut prouver un concept et le transférer ensuite à l'industrie où il peut être développé davantage, ", a déclaré Peters.