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Détecter la lumière avec du graphène
Les chercheurs ont exploré les propriétés électroniques extraordinaires du graphène pour de nombreuses applications au cours des dernières années, des transistors ultrarapides aux puces mémoire extrêmement denses. Aujourd'hui, pour la première fois, les chercheurs d'IBM exploitent les propriétés uniques du graphène pour l'optoélectronique, en utilisant des feuilles de graphène pour fabriquer des photodétecteurs.
Détecteur de lumière : Une image au microscope électronique à balayage et une image optique (en médaillon) montrent un photodétecteur au graphène à large bande passante. Les contacts métalliques déposés sur le graphène créent un champ électrique qui sépare les électrons, permettant à l'appareil de détecter la lumière.
Les détecteurs de lumière sont généralement fabriqués à partir de semi-conducteurs III-V, des matériaux constitués de plusieurs éléments tels que le gallium et le phosphore. Lorsque la lumière frappe ces matériaux, chaque photon absorbé crée une paire électron-trou, et les électrons sont ensuite évacués du matériau pour produire un courant électrique.
Le graphène, une feuille d'atomes de carbone liés dans une structure en nid d'abeille, transporte des électrons des dizaines de fois plus rapidement que les semi-conducteurs III-V. Cela signifie que les photodétecteurs au graphène pourraient fonctionner à des fréquences extrêmement élevées, ce qui les rend très efficaces pour détecter la lumière et transporter les électrons résultants vers un circuit externe. Le matériau absorbe également des longueurs d'onde allant du visible à l'infrarouge, alors que les couches minces de semi-conducteurs III-V n'absorbent pas beaucoup de fréquences infrarouges.
Le graphène a déjà été utilisé pour fabriquer plusieurs types de transistors, y compris des dispositifs à très haute fréquence radio. Les feuilles d'épaisseur atomique hautement conductrices pourraient également remplacer l'oxyde d'indium-étain coûteux et cassant en tant que matériau d'électrode dans les écrans plats flexibles et les cellules solaires minces. Les gens envisagent également le graphène pour les électrodes d'ultracondensateurs et pour la mémoire informatique dense et ultrarapide.
Pourtant, malgré toutes ces applications électroniques, de nombreux experts considéraient le graphène comme moins qu'idéal pour les appareils optiques. En effet, les électrons et les trous générés par les photons entrants se combinent normalement dans le graphène en quelques dizaines de picosecondes, ne laissant aucun électron libre pour le courant. Cela se produit également dans un métal. Mais la vitesse à laquelle les particules chargées se déplacent dans le graphène est la clé, dit Phaédon Avoris , responsable de la science et de la technologie à l'échelle nanométrique au T. J. Watson Research Center d'IBM et le chercheur qui a dirigé les travaux, qui sont décrits dans un article publié en ligne dans Nature Nanotechnologie . Si nous pouvons avoir une sorte de champ électrique pour séparer les paires électron-trou, nous pouvons les collecter assez rapidement [pour le courant].
On sait déjà que lorsque des contacts métalliques sont déposés sur du graphène, des champs électriques sont générés à l'interface entre les deux matériaux. Les chercheurs ont donc profité de ce champ. Leur appareil est un morceau de graphène multicouche avec des contacts métalliques sur le dessus. Lorsqu'ils éclairent près du contact, le champ sépare les électrons et les trous, et un courant est généré.
Détecteur de lumière : Un photodétecteur au graphène tire parti du champ électrique qui se crée à l'interface entre les contacts métalliques (or) et le graphène. Lorsque la lumière tombe sur le graphène, le champ aide à séparer les électrons des trous, conduisant à un courant électrique.
Une seule feuille de graphène absorbe 2,3% de la lumière qui tombe dessus, une quantité importante pour un matériau d'un atome d'épaisseur. Vous disposez d'un photodétecteur qui présente de nombreux avantages : il absorbe sur une large gamme de longueurs d'onde, il est très rapide, il a une absorbance élevée, c'est une seule couche atomique, dit Avouris. Cette combinaison le rend assez unique.
Les photodétecteurs ultrarapides pourraient être utilisés dans les futurs réseaux de communications optiques avec des débits de données supérieurs à 40 gigabits par seconde ; à l'heure actuelle, les réseaux optiques ont des débits de données d'environ 10 gigabits par seconde. Les photodétecteurs pourraient également être utilisés dans des ordinateurs optiques qui calculent avec des électrons mais transfèrent les données en utilisant la lumière au lieu de les envoyer sur des fils de cuivre sujets à la chaleur. Fengnian Xia, co-auteur de l'article, affirme que le graphène constituerait également un meilleur détecteur de rayonnement térahertz, qui s'est révélé prometteur pour l'imagerie médicale et de sécurité.
Le graphène est un excellent matériau pour l'électronique, dit André Geim , professeur de physique à l'Université de Manchester, au Royaume-Uni. Très peu de gens pourraient penser que l'optoélectronique présente un intérêt pour ce matériau. C'est comme de l'air frais.
Les chercheurs obtiennent du courant en réponse à des impulsions lumineuses à une fréquence de 40 gigahertz. Des fréquences supérieures à celles-ci ne sont pas possibles avec l'électronique d'aujourd'hui, dit Avouris, mais le graphène pourrait, en théorie, activer des photodétecteurs qui fonctionnent à des fréquences encore supérieures à 0,5 térahertz.