Des chercheurs ont résolu un problème entravant le développement de dispositifs optiques hautement sensibles composés d’un matériau appelé graphène, une avance qui pourrait permettre le développement d’applications depuis l’imagerie et des écrans jusqu’aux capteurs et communications à grande vitesse.
Le graphène est une couche extrêmement mince de carbone qui est très prometteuse pour l’optoélectronique, et les chercheurs tentent de développer des photodétecteurs à base de graphène, des dispositifs critiques pour de nombreuses technologies. Cependant, les photodétecteurs typiques en graphène n’ont qu’une petite zone sensible à la lumière, ce qui limite leurs performances.
Mais des chercheurs ont résolu le problème en combinant le graphène avec un substrat de carbure de silicium comparativement beaucoup plus grand, créant des transistors à effet de champ en graphène, ou des GFET, qui peuvent être activés par la lumière, a déclaré Yong Chen, professeur de physique, d’astronomie, d’électricité et d’informatique de l’université Purdue, et directeur du Purdue Quantum Center.
Les photodétecteurs performants pourraient être utiles pour les applications nécessitant des communications à haute vitesse et des caméras ultra sensibles pour l’astrophysique, ainsi que les applications de détection et l’électronique portative. Les rangées de transistors à base de graphène peuvent générer des images et des images à haute résolution.
« Dans la plupart des caméras, vous avez besoin de beaucoup de pixels », a déclaré Igor Jovanovic, professeur d’ingénierie nucléaire et de sciences radiologiques à l’Université du Michigan. « Cependant, notre approche pourrait rendre possible la création d’une caméra très sensible où vous avez relativement peu de pixels mais toujours de la haute résolution ».
« Dans les photodétecteurs typiques à base de graphène démontrés jusqu’à présent, la photoréponse provient seulement d’endroits spécifiques près du graphène sur une zone beaucoup plus petite que la taille de l’appareil », a déclaré Igor Jovanovic. « Cependant, pour de nombreuses applications de périphériques optoélectroniques, il est souhaitable d’obtenir une photoréponse et une sensibilité de position sur une zone beaucoup plus grande ».
Les nouveaux résultats montrent que le dispositif réagit à la lumière même lorsque le carbure de silicium est éclairé à des distances loin du graphène. La performance peut être augmentée jusqu’à 10 fois selon la partie du matériau éclairée. Le nouveau phototransistor est également «sensible à la position», ce qui signifie qu’il peut déterminer l’emplacement d’où provient la lumière, ce qui est important pour les applications d’imagerie et pour les détecteurs.
Yong Chen, at left, a Purdue University professor of physics and astronomy and electrical and computer engineering, and graduate student Ting-Fung Chung discuss their research to develop highly sensitive optical devices made of a material called graphene. The advance could help bring applications from imaging and displays to sensors and high-speed communications. (Purdue University image/Erin Easterling)
« C’est la première fois que quelqu’un a démontré l’utilisation d’un petit morceau de graphène sur une grande plaquette de carbure de silicium pour obtenir une photodétection non locale, de sorte que la lumière ne doit pas frapper le graphène lui-même », a déclaré Yong Chen. « Ici, la lumière peut être incidente sur une zone beaucoup plus grande, presque un millimètre, ce qui n’a pas été fait auparavant ».
Une tension est appliquée entre le côté arrière du carbure de silicium et le graphène, en installant un champ électrique dans le carbure de silicium. La lumière entrante génère des « transporteurs de photo » dans le carbure de silicium.
« Le semi-conducteur fait que les médias interagissent avec la lumière », a déclaré Igor Jovanovic. « Lorsque la lumière entre, une partie de l’appareil devient conductrice et qui change le champ électrique agissant sur le graphène ».
Cette modification du champ électrique modifie également la conductivité du graphène lui-même, qui est détecté. L’approche est appelée détection de photo à effet de champ.
Le carbure de silicium est «non dopé», contrairement aux semi-conducteurs conventionnels dans les transistors à base de silicium. L’absence de dopage fait du matériau un isolant à moins qu’il ne soit exposé à la lumière, ce qui l’amène temporairement à devenir partiellement conducteur, en changeant le champ électrique sur le graphène.
« C’est une nouveauté de ce travail », a déclaré Yong Chen.
Les détecteurs de lumière peuvent être utilisés dans des appareils appelés scintillateurs, qui sont utilisés pour détecter les rayonnements. Le rayonnement ionisant crée de brèves lumières qui, dans les scintillateurs, sont détectés par des appareils appelés tubes multiplicateurs photo, une technologie à peu près centaine d’années.
« Il est donc très intéressant de développer des dispositifs avancés à base de semi-conducteurs qui peuvent atteindre la même fonction », a déclaré Igor Jovanovic.
Les chercheurs ont également expliqué leurs résultats avec un modèle de calcul. Les transistors ont été fabriqués au Centre de nanotechnologie de Birck dans le parc Discovery de Purdue.
Les recherches futures comprendront des travaux visant à explorer des applications telles que des scintillateurs, des technologies d’imagerie pour l’astrophysique et des capteurs pour des rayonnements à haute énergie.
