L'imagerie hyperspectrale utilise le spectre complet de la lumière pour donner des informations détaillées sur la nature et son comportement. Ces connaissances ouvrent un domaine pour de nombreuses applications, notamment la conduite autonome, la surveillance de l'environnement, les soins de santé, l'exploration spatiale ou même l'agriculture et la transformation alimentaire.
L'imagerie depuis l'infrarouge jusqu'au régime térahertz pose un défi technologique car elle nécessite des dispositifs suffisamment efficaces et sensibles sur toute la gamme du spectre.
Jusqu'à présent, les seuls qui répondent partiellement aux attentes sont les réseaux de photoconducteurs à base d'éléments de tellurure de mercure et de cadmium. Bien qu'il s'agisse de la technologie la plus appropriée disponible actuellement, leur efficacité en matière de détection de la lumière n'est pas très large bande car ils ont tendance à être des absorbeurs efficaces pour certaines longueurs d'onde mais fonctionnent moins bien pour d'autres et ils n'ont tout simplement pas les capacités nécessaires pour détecter les longueurs d'onde de lumière les plus longues. dans le régime térahertz, qui devient de plus en plus pertinent pour la technologie.
Comme le mentionne Frank Koppens, auteur correspondant de l'étude :« La torsion de matériaux bidimensionnels tels que le graphène a révolutionné le domaine des matériaux quantiques, grâce à la découverte d'une supraconductivité non conventionnelle. Mais récemment, nous avons également pu constater qu'il s'agit d'un plate-forme pour une large gamme d'applications, en raison de ses propriétés uniques et hautement personnalisables."
Par conséquent, au cours des dernières années, le graphène bicouche (BLG) s’est révélé être un photodétecteur impressionnant lorsqu’il est polarisé par des champs électriques externes, bien que, en raison de sa nature 2D, l’absorption de la lumière soit plutôt limitée. Il est intéressant de noter que BLG est conforme à la technologie du silicium existante, indispensable pour être introduite sur le marché.
Cependant, la nécessité d'appliquer un champ électrique pose d'énormes difficultés pour étendre la fabrication en trois dimensions, ce qui serait nécessaire pour surmonter le problème de la faible absorption du BLG.
Les dispositifs de graphène bicouche « double » torsadés (TDBG), en revanche, sont apparus comme un matériau unique permettant d'éviter ces restrictions. TDBG est constitué de deux empilements de graphène bicouche tournés ou tordus d'un grand angle (15 degrés) qui ont récemment démontré qu'ils créaient leur propre champ électrique intrinsèque sans avoir besoin d'électrodes supplémentaires qui compliquent la fabrication dans le cas de BLG.
Cela a ouvert des perspectives de détection à large bande dans un système évolutif, mais jusqu'à présent, les capacités de détection de lumière du TDBG n'ont pas été testées.
Dans une étude publiée dans Nature Photonics , des chercheurs rapportent le développement d'un nouveau photodétecteur ultra-large bande TDBG capable de détecter la lumière de manière très efficace dans une gamme spectrale qui s'étend du térahertz lointain (longueur d'onde de 100 μm, équivalente à 3 THz) jusqu'au proche infrarouge (2 μm de longueur d'onde ou 150 THz) et avec un bon rendement continu dans toute la gamme, sans aucun écart.
Les chercheurs de l'ICFO, Hitesh Agarwal et Krystian Nowakowski, étaient dirigés par le chercheur postdoctoral Dr Roshan Krishna Kumar et le professeur ICREA de l'ICFO Frank Koppens. Ils ont travaillé en collaboration avec le groupe du professeur ICREA Adrian Bachtold à l'ICFO, le groupe du prof. Giacomo Scalari de l'ETH Zurich et des chercheurs de l'Université de Manchester, du NIMS au Japon et du CNRS en France.
Le photodétecteur ultra-large bande s'est avéré avoir une bonne efficacité quantique interne, une amélioration de la photoconductivité grâce au blindage intercouche et une évolutivité du TDBG car aucune porte n'est nécessaire pour appliquer le champ électrique afin d'obtenir la bande interdite électronique.
Dans leur expérience, les chercheurs ont mené une étude approfondie et compréhensible de la photoréponse dans le TDBG. Ils ont fabriqué plusieurs dispositifs de TDBG et étudié leur photoconductivité, c'est-à-dire comment leur résistance électrique change sous éclairage.
Comme le commente le premier co-auteur Krystian Nowakowski, "l'idée de cette expérience est née après la lecture d'une étude dans laquelle les chercheurs avaient découvert une petite bande interdite électronique dans le graphène double bicouche torsadé (TDBG) sans avoir besoin d'appliquer un champ électrique externe, qui est généralement nécessaire d'ouvrir une bande interdite électronique dans la pile commune de graphène bicouche (BLG)."
"La présence d'une bande interdite fait du graphène bicouche un bon détecteur de lumière, mais la nécessité d'appliquer un champ électrique externe constitue un obstacle aux applications en raison de la complexité de la mise à l'échelle de la fabrication pour les applications industrielles." Après avoir examiné la littérature, ils ont constaté que personne n'avait jamais testé cela avec le BLG "double", ou TDBG.
L’équipe a donc mis tous ses efforts en œuvre pour préparer l’expérience. Comme le rappelle Hitesh Agarwal, premier co-auteur, « la fabrication d'échantillons de TDBG n'est pas une tâche triviale. Nous avons commencé par exfolier des flocons de graphène, en poursuivant ce processus jusqu'à ce que nous puissions trouver un flocon suffisamment gros de graphène bicouche. Ensuite, nous avons coupé le flocon en deux. avec un micromanipulateur, prenez l'une des moitiés, faites-la pivoter de 15 degrés et empilez-la sur l'autre pour créer une pile TDBG."
Ces appareils ont ensuite été refroidis à une température de 4 kelvins pour effectuer des mesures précises de résistance électrique. Sous un éclairage par lumière infrarouge moyen, ils ont constaté que la résistance diminuait considérablement, ce qui a conduit à la possibilité d'utiliser ces appareils comme photodétecteurs.
Créativité dans la recherche
Après plusieurs mois de travail intensif sur l’expérience, l’équipe a été obligée de rechercher des alternatives logistiques et expérimentales pour surmonter les restrictions imposées par l’arrêt soudain de 2020 afin de poursuivre l’étude, qui comprenait le contrôle à distance des équipements pour poursuivre les mesures pendant les pandémies.
L'équipe a travaillé des heures difficiles pour mettre en place l'expérience, mesurer autant que possible pour leur permettre de collecter et de comprendre le type de données qu'elles obtenaient et ce que cela signifiait réellement. "L'un des grands défis auxquels nous avons été confrontés était de comprendre réellement l'origine de cette vaste réponse et de la comparer de manière fiable aux technologies commerciales", se souvient Roshan Krishna Kumar.
Après plusieurs mois d'analyse de données, de détermination de ce qui devait être mesuré et pourquoi, d'apprentissage de la distinction entre diverses hypothèses et de nouvelles idées susceptibles de faciliter l'obtention de résultats, ils ont finalement pu quantifier l'efficacité quantique interne, indicateur de l'efficacité quantique interne. fraction des photons absorbés qui sont convertis en changement mesuré du courant électrique - et ont constaté que l'efficacité de la majeure partie de la plage spectrale était égale ou supérieure à 40 %, ce qui est une bonne valeur et très prometteuse lorsqu'elle est combinée avec le spectre ultra-large portée et évolutivité de TDBG.
Suite aux mesures initiales, les chercheurs ont réalisé que le photodétecteur pouvait avoir des capacités de longueur d'onde longue s'étendant jusqu'à 2 THz après avoir caractérisé la bande interdite intrinsèque du TDBG, qui définit la fréquence de coupure de leurs détecteurs.
Motivé par cette perspective alléchante, Hitesh Agarwal s'est envolé pour la Suisse pour effectuer des mesures dans le laboratoire de Giacomo Scalari, expert en technologies térahertz et proche collaborateur de l'ICFO dans le cadre du projet PhotoTBG. À l'aide de leurs configurations de mesure à large bande personnalisées, ils ont démontré la plage de longueurs d'onde ultra-large signalée dans l'étude.
Les chercheurs se sont ensuite « concentrés sur la compréhension du mécanisme physique derrière le signal mesuré. Après un long brainstorming avec le professeur Frank Koppens, nous avons découvert que la réponse est principalement due à l'effet photoconducteur, où les photons influencent la résistance en créant directement davantage de paires électron-trou. plutôt que l'effet bolométrique où les photons chauffent l'échantillon et qui influence indirectement la résistance par le changement de température."
Les résultats de cette étude montrent que les méthodes et les résultats décrits peuvent servir de guide et de référence pour d'autres scientifiques utilisant la lumière pour étudier ces matériaux tordus très intéressants.
L'explication de l'amélioration de la conductivité par le blindage intercouche, la méthode permettant de différencier les réponses bolométriques et photoconductrices et l'idée proposée d'empilement tridimensionnel pourraient bien être utilisées comme base pour des recherches ultérieures sur d'autres matériaux bidimensionnels.
Plus d'informations : H. Agarwal et al, Photoconductivité ultra-large bande dans des hétérostructures de graphène torsadées à grande réactivité, Nature Photonics (2023). DOI :10.1038/s41566-023-01291-0
Informations sur le journal : Photonique naturelle
Fourni par ICFO
